双馈型风电系统安全运行的研究 - 图文

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双馈型风电系统安全运行的研究

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双馈型风电系统安全运行的研究

目录

摘 要 Abstract 插图索引 附表索引 第一章 绪论

1．1课题研究背景及意义 1.2风力发电现状及发展 1．2．1全球风力发电发展情况 12．2我国风力发电的发展情况

1.2.3风力发电系统主要机型与并网结构 1.3双馈型风力发电技术的研究及现状 1.3.1双馈型风力发电交流控制系统研究概述 1．3.2双馈型风力发电变流控制策略的研究 1.4选题依据和本文的主要内容 1.4.1电网故障对风力发电系统的影响 1．4．2本课题的研究目标

1．4．3本课题研究内容及具体安排 1.5本章小结

第二章 双馈风力发电机组的基本原理及运行控制 2．1风电机组介绍

2．2双馈感应风力发电系统的基本原理 2．3双馈感应风力发电机的数学模型

2．3.1三相定子静止坐标系下DFIG的数学模型 2．3.2任意速旋转坐标系下DFIG的数学模型

2．3.3同步速旋转坐标系中DFIG风电机组的等效模型 2．4网侧双PWM变换器数学模型

2.5风力风电系统的最大风能捕获原理及机组轴系模型 2.5.1 风力机的气动数学模型 2.5.2 风力机的最大风能捕获原理 2.5.3机组轴系模型 2．6本章小结

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第三章 双馈型风电系统的控制系统 3.1网侧变换器的控制策略 3.2机侧变换器的控制策略

3.2.1定子电压定向的DFIG控制策略 3.2.2定子励磁定向的DFIG控制策略 3.3仿真研究 3.4 本章小结

第四章电网故障时Crowbar的投切时间和阻值确定的研究 4.1CroWbar电路的保护原理 4.2双馈风电机组暂态数学模型 4.2.1 DFIG的数学模型

4.2.2 DFIG机端短路后的系统特性 4.3 Crowbar电路阻值的选取 4.3.1 Crowbar电路阻值的整定

4.3.2 Crowbar电路阻值选取的仿真验证

4.4 电网电压故障下Crowbar电路投切时间的研究分析 4.4.1 故障发生时不投入Crowbar电路对LVRT效果影响分析 4.4.2 不同Crowbar电路退出时间对LVRT效果影响分析 4.5 本章小结

第五章 电网故障下DFIG风电机组的运行研究 5.1 国内外风力发电系统LVRT的相关规定[33] 5.2 双馈型风力发电系统的保护电路 5.2.1 Crowbar电路的功能 5.2.2转子侧保护电路

5.3 双馈型风力发电机组的电压跌落动态响应特性仿真 5.3.1 仿真实验参数 5.3.2仿真分析

5.4 双馈型风力发电机组的运行测量 5.4.1 实验样机系统的构成 5.4.2样机硬件结构 5.4.3控制系统的介绍

5.4.4 电网LVRT故障不脱网运行的测量 5.5本章小结 结论与展望 参考文献

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致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

摘 要

风力发电作为清洁能源发电的代表，在并网后发电机组与电网间的相互影响愈来愈明显，尤其是电网因故障产生电压凹陷时，会给发电机组带来巨大的损害;同时，电网也需要风电机组在电压凹陷期间，能够继续保持并网，即具备低电压穿越能力，以防止风电机组解列给电网造成严重的冲击，加剧电网系统的恢复难度。

本文首先介绍了变速恒频双馈风力发电机组的基本结构和工作原理，并在此基础上建立了变速恒频双馈风力发电机在 dq 同步旋转坐标系下的数学模型以及风力发电系统其它各部分的数学模型。对转子侧变流器采用计及定子励磁电流动态过程的精确模型及相应控制策略，以提高转子侧变流器对转子电流的控制能力。对网侧变流器采用改进前馈控制方案，以减小直流母线电压的波动峰值，使直流母线电压快速趋于稳定。接着以 PSCAD 软件中搭建的系统的模型为基础，在随机风扰动下，对单台机组动态特性进行了仿真分析。仿真结果验证了双馈风力发电机机组模型的正确性和控制目标设计的合理性。通过对转子侧变流器与网侧变流器控制策略的改进实现小值故障下的低压穿越运行。

在电网发生严重故障情况下,双馈风电机组多采用Crowbar保护电路以实现低电压穿越(LVRT),而Crowbar阻值和退出时间对LVRT效果有很大影响。文中从磁链角度推导给出了双馈感应发电机(DFIG)在并网运行情况下发生机端三相短路故障后的转子短路电流表达式及最大短路电流估算式,并给出了Crowbar阻值的整定方法。在分析主动式 IGBT 型Crowbar电路的拓扑结构以及电网电压跌落时 Crowbar 电路作用的基础上，采用计及电网电压变化的 DFIG 数学模型,对 crowbar 保护电路的不同切除时间以及不同电网电压跌落等情况对机组LVRT 的运行性能和能力进行了分析和比较。通过仿真详细研究了 Crowbar 投切策略，仿真结果验证了 Crowbar 电路以及控制策略的有效性，表明 Crowbar 电路能有效抑制转子过电流、直流母线过电压以及电磁转矩的振荡，并可在故障时向电网注入无功电流以帮助电网电压的恢复，使 DFIG 实现低电压穿越。

关键词：风力发电；双馈感应发电机；电网故障 暂态性能;低电压穿越；

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Abstract

When wind Power generation，as there presentation of clean energy generation，is put into the mode of gride connected generation ,the mutual influence between the grid and the wind turbine is to be more and more Prominent,especially when the voltage dip appears beeause of the hitch of the grid，Which will do enomorous harm to the turbines:meanwhile，The wind turbine,during the period of voltage dip,is required to keeping grid-conneetion，i.e.the function of LVRT,in case of the surge to the grid caused by diseonneetion of the wind turbine，which will increase the difficulty of recovering the grid system.

Basic structure and working principle of the doubly fed VSCF wind turbine are described in this paper. And on this basis, the mathematical models of doubly fed VSCF wind power generator in the dq synchronous rotating coordinate system and other part of the wind power generation system. the rotor side converters adopted the precise model of DFIG that the stator magenetizing current is considered for improving the control ability of the rotor side converter. Improved feed forward control strategy is adopted by grid side converter for decreasing maximum peak of DC bus voltage fluctuation. Basic structure and working principle of the doubly fed VSCF wind turbine are described in this paper. And on this basic, the mathematical models of doubly fed VSCF wind power generator in the dq synchronous rotating coordinate system and other part of the wind power generation system are established in the PSCAD Based on these simulations analysis is made for the dynamic characteristics of grid connected double fed wind turbine in the mode of random wind.Simulation results demonstrate the doubly-fed wind turbine unit model is correct and rational design of control objectives.Adopting these modified schemes, the DFIG can be ride though operation under small scale voltage dip.

In the case of serious faults with the grid,the Crowbar protection circuit is frequently adopted to implement low voltage ride through (LVRT) of the grid-connected wind turbine driven doubly fed induction generator (DFIG).The LVRT effect is greatly influenced by the resistance and quitting time of Crowbar. From the viewpoint of magnetic linkage in the case of a three-phase short-circuit fault occurring at the terminal of DFIG, the analytical expression of the short-circuit rotor current is deduced together with the estimated expression. The method for Crowbar resistance setting is proposed.On thebasis of analyzing active IGBT Crowbar circuit topology as well as the effect of the Crowbar circuit to the fault during grid voltagedip,the DFIG mathematical model with considering the changed grid voltage is adopted

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the LVRT performances and capability of the wind turbine system with a DFIG have been analyzed and compared under the conditions ofdifferent switch periods of the presented protective circuit and different levels of thegrid voltage drop.The switching strategy of Crowbar is researched in detail during simulation.The simulation results verify that Crowbar circuit and the control strategy are active and prove that Crowbar control strategy could limit the over current in the rotor and the overvoltage of the DC bus as well as the transient oscillation of the electromagnetic torque efficiently.Moreover,a reactive current isinjected into the grid to assist the recovery of the grid voltage ,which is in favor of achieving the LVRT of DFIG.

Key Words: Wind Power; Doubly fed Induction Generator;Grid Fault; Performance;low voltage ride-through(LVRT)

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Transient

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

能源是人类经济社会生活的脉搏，是人类发展不可缺少的动力，随着人类社会的共同发展与进步，全球能源的需求量也在飞速的增加。根据国际能源委员会的预测，到2030年世界能源总需求量将增加60％，而需要新增发电量4800GWG。经济的持续且高速增长，仅靠煤、石油、天然气等常规能源就难以解决当今的能源和电力资源的短缺。而我国的水能资源可开发量为4．02亿kW，我们的年发电量1.7万亿KW/h，以这样的用量计算，再经过20～30年的开发，70％左右水资源将被开发完，因此仅靠水能是解决不了我国电力资源的短缺。

能源的短缺和环境的恶化是当今人类发展所面临的两大难题。因此，人类必须要找到机解决这两大难题的途径，并且还必须马上行动起来，而解决难题的出路就是采用新能源技术，并且制定相关的政策和策略，才能有效的实施。

能源需求的增加和环境恶化是当前人类经济发展中所面临的重大课题，人类必须找到能能源需要与环境保护之间的途径，并且立即付诸于行动，唯一的出路就是广泛采用新能源技术并为此制定相应的政策。

而科学家预计，21世纪以后最主要的能源是核能、风能、太阳能、海洋能、地热能、氢能，其中风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，近年来人类对它的关注。

风是由太阳辐射热产生的，是一种自然现象。当太阳辐射到地球表面，地球表面的各处受热就会有不同的温差，引起大气的相对运动就形成了风。到达地球的太阳能转化为风能的量比地球上的

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水能的量要大的多。风能的优越性有：储藏量大；可再生能源；没有任何污染，是清洁能源；风电场的建设周期短，见效比较快；运行成本低，维护工作量不大。风能的缺点有：风车轮对风能的利用系数（贝兹系数0．593）受到限制；风能规律性小，随机性大；风能随时间和季节的变化而变化；风能随距地面的高度不同而不同。尽管风能有这些缺点，但这些缺点都是可以克服的，随着科技的发展，人们会克服缺点，驾驭风能为人类服务，使风能成为未来人类的主要能源之一

1.2风力发电现状及发展

随着全球风电行业的快速发展，风力发电技术和并网技术也取得了好的发展，特点体现在：单机容量不断增加，兆瓦级风电机组已经商品化；先进控制技术和增加运行能力的方案得到了深入的研究和应用，提高了机组的发电效率；风力发电在电网中占的比例逐渐加大，开始注意风电场与电网系统的相互关系，以及一体化的运行和控制研究。如：风电机组在故障穿越的运行研究和故障点的检测，电能质量管理等等问题。

1.2.1全球风力发电发展情况

在20世纪80年代向电网供电的大规模风力发电场有了迅速发展，据统计，1980年世界风力发电装机容量年为4MW；1985年达到694MW；至2002年底，全世界风力发电装机容量突破了32 000MW。专家预测，从2003年开始，世界风力发电机组装机容量将继续以每年高于25％的速度递。2006年亚洲风电市场增加率高达53％，中国、伊朗、巴西、墨西哥、中国台湾及韩国等国家和地区的风力发电新增容量翻了一番。到20l0年时，全球风力发电装机容量突破l00GW。

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全球风电装机容量大于1000MW的五个国家依次是：德国、西班牙、美国、印度和丹麦，风力发电总装机容量前l0位国家如表1-1。欧洲是世界风能利用最发达的地区，德国的发电装机容量和发电量远远领先列居第二位的西班牙，风力发电技术和规模发展速度也属德国最快；丹麦生产和销售量居世界首位，目前丹麦的风电设备产量约占世界市场50％的份额。美国的风力发电增长速度最快，2006年其风力发电量占国家总发电量的0.7％，能够满足290万户居民用电，美国风力发电的目标就是电能的20％来自风能，已经实现了这个目标。

因此，国外风力发电技术的发展情况为：风力发电在电力需求中的比重有了很大的提高；变速风力发电技术得到了广泛的发展和应用；双馈型异步发电机在1．5MW以上的大功率风力发电机中处于主导地位；发电机单机容量逐步大型化；发电机效率的明显提高；风力机运行逐步规模化。

1.2.2我国风力发电的发展情况[3-4]

近年来可再生能源的开发利用越发受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源。在风力发电技术中，大型变速恒频风力发电技术已经成为其主要发展方向之一，表1-2我国风资源的分布。但是主要技术仍然掌握在少数国家手中，我国风力发电绝大部分关键技术比较落后。国外风电变频器主要厂家，在中国有生产基地的ABB、Converteam、Switch、Arstone、GE (USA)、WoodWorld (USA)、BECKHOFF(Germany)、Vacon、Schneider、Delta、Emerson。在最初，我国重点对600KW定浆距、三叶片双馈发电机的风力发电机组进行研制，掌握了整体总装技术和关键部件的设计制造技术，并初步掌握了总体设计技术。

表1-1风力发电总装机容量前l0位国家

美国德国西班牙中国印度意大利法国英国丹麦葡萄牙其他前10 总计全球总计装机容量（WM)2517323903167541221096453736340432413180286216686104104120791占全球的百分比（%）20.819.813.910.183.12.82.72.62.413.886.2100

随着风力发电机组单机容量的提高和控制技术的发展，风力发电系统也从原来的户用分布式能源向集中大规模风电场发展。陆地风力发电机组主力机型单机容量在1.5MW、2MW，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上，而双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主流机型。自从“863攻关计划”支持了兆瓦级变速恒频风力发电机组的公关工作，我国自主研制的1MW双馈型变速恒频风力发电机组样机投入成功后，通过国家科技支撑计划的资助，中国科学院电工研究所又开始研制1.5～2.5MW的双馈型变速恒频风力发电机组控制系统及变流器的产业化关键技术和优化设计技术，自主研制了2.5MW以上双馈型变速恒频风力发电机组控制系统及变流器，解决了1.5MW以上风力发电机组控制系统及变流器产业化应用的技术问题。

表1-2我国风资源的分布

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风能密度W/m2风速3m/s以上的平均小时数》5000》200200~150150~50《505000~40004000~2000《2000风速6m/s以上的平均小时数所占区域百分比（%）8》22002200~15001500~350《350185024

目前，我国已经出现了一批大规模的风电场，其中最大的是内蒙古自治区克什克腾旗赛罕坝北风电场，装机容量已经达到了120.7MW。全国共有4座100MW以上规模的风电场。随着风力发电系统在整个电力系统中所占比重越来越大以及大规模集中型风电场的出现，风电发电系统与电网的关

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系也越来越紧密。权威统计显示，近几年，我国风电场建设进程突飞猛进，展现出了强劲的发展态势，风电装机容量2001年至2004年增长比较缓慢，2001年为400MW，2002年为468 MW，2003年为567 MW,2004年为764 MW，从2005年开始风电装机容量每年的增长速度就非常快，2005年为1266 MW，2006年2599 MW，2007年风电装机容量新增3300MW ，达到5906 MW，是上一年的两倍还多，是以往20多年的累计装机容量，是2006年新增装机容量1340MW的两倍还要多，2008年我国风电场建设的增长的基本情况仍不会改变，为12210 MW，还是保持是上一年的两倍增长，2009年为25240 MW，还是保持增长率为去年的两倍。2010年也新增也达到了预计的14000～15000MW，预计今后数年内风电场装机容量还将会增加，到2020年风电累计装机容量可达80000～100000MW，甚至有希望突破120000MW，约达到当时发电总装机容量的10%，风电是继火电、水电之外的第三大

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电力供应来源。由此来看，未来的几年风电装机增长猛进是必然的。华锐、东汽、金凤、运达、沈阳华创、江苏新誉、明阳电气、上海电气、哈电、北重、南车时代、国电联合动力、重庆海装、上海万德、湘电风能、广西银河等大型风电生产厂商喜讯不断；甘肃酒泉打造了“河西风电走廊，西部陆上三峡”的宏伟目标；黄海沙洲也拟建造“海上三峡”。全国各地的风电场涌起：锡盟风电、河北沧州、山东长岛、江苏大丰、青岛即墨、官厅水库、江苏响水等等，海上风电场也不甘落后，东海大桥、江苏如东、浙江慈溪等等、许多省份也在效仿，云南大理、山西左云、重庆武隆等等。

由于我国产业基础薄弱、自主创新能力不足、产业体系不够完善，只顾发展会加剧风电产业发展的风险。如果我们没有认识和足够的抗风险能力，只是在增长率上盲目乐观，必然会影响风电产业的健康发展。随着我国风电产业的高速发展，风电制造业就急剧扩张，随之而来的是产品质量问题也就越来越突出，风电整机制造和零部件在调试和运行过程中出现了不少的质量问题，这些问题都对风力发电机组的可靠性和经济性影响很大，这就加大了风电项目的技术和经济风险。况且，我国风电设备制造业投资和产能结构不平衡，集中研制整机、变流器、电控系统等关键零部件，研制配套投入和产能明星不足，导致产业不够协调。

风力发电机组单机容量从0.6MW、0.75MW、0.85MW、1MW、1.25MW、1.5MW、2.0MW、3.0MW、5.0MW、8.0MW。随着机组的单机容量的不断增大，它的体积、重量等都增大，需要采用一些新型的技术，比如变速技术、高叶尖速比技术、柔性传动技术等，那就对应的发电技术也不同，像双馈型、直驱型等。

近年来，变速恒频风力发电技术在兆瓦级以上风力发电机的应用已经成为研究的热点。在安装的变速恒频风力废电机中，双馈感应发电机（DFIG）占了很大的比重。使用双PWM变流器控制双馈感应发电机的励磁电流，如图1-1所示。一方面由于双馈感应发电机转子和定子间的电磁关系，变流器只需供给转差够功率就可以调节风力发电机的转速，实现了对风能的最大捕获，大大减少了风力发电系统变流器的额定容量；另一方面，发电系统可以通过改变励磁电流的赋值和相位来实现独立调节发电机输出的有功、无功功率，这可以保证风力发电场运行在单位功率因数，减小电流系统的损耗。双馈感应变速恒频风力发电技术可以提高风能捕获能力和转换效率，改善并优化风力发电机组的运行条件，使得发电机组与电力系统之间能实现很好的柔性连接，方便与实现顺利并网，是一种优化的风力发电方案。正因为DFIG系统使用了小容量变流器，因此才减弱了DFIG系统抵抗电网电压跌落的能力。国内外的研究表明，当电网电压跌落到一定程度时，如果不采取任何处理措施，DFIG系统将脱离电网。因此，需要研究在电网电压故障下如何使得DFIG风力发电系统能够保持和

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电网的连接，并且还能够对电网提供支撑作用老提高电力系统的稳定性。因此相关的研究就成了科研的热点，故障运行技术就成为风力发电研究的重点，并且研究这方面也具有十分重要的现实意义。 总的来说，我国近20年来风力发电市场发展较快，市场上大量的风力机，尤其是兆瓦级风力发电机仍然依赖于进口，只有少量的才是自主研制，还处于试验期间。为了实现风能利用的统筹规划、有序开发、分步实施、可持续发展的目标，国家根据其风能资源储量及其分布、电网承受能力和经

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济发展水平等因素，制定风电发展规划，促进全国风电大规模发展。

1.2.3风力发电系统主要机型与并网结构

总的来讲，风力发电就是将风的动能通过风力机转换为机械能，再带动发电机发电并将其转换成电能，这样就八风能给利用起来了。随着风力发电技术的发展，风力发电又出现了不同的机型以及并网结构，以下将分别对其进行介绍。

（1）风力发电机的类型

根据可用发电量的大小，2kW以下为小容量风机、2～100kW为中等容量的风机、100kw以上为大容量风机。根据风机的旋转速度变化分为定速风力发电机和变速风力发电机，而变速风力发电机又分为同步直驱型风力发电系统和双馈型风力发电系统。根据风力机风轮叶片数的不同，分为双叶式风力发电机、三叶式风力发电机和多叶式风力发电机。

变速风力发电机与定速风力发电机相比较来说，变速风力发电机优点为具有较高的性价比，能够降低变桨距机构的控制要求，在变速情况下，变桨距机构通常是用于在高风速时限制风力机的最大风能捕获；变速风力发电机有较小的机械应力，并且能够利用机械惯性储藏阵风；能够对转矩和功率的低频脉动进行动态补偿；能够提高系统的有效效率和总发电量，即变速风力发电系统能够使其转速随着风速改变而改变，从而实施最大风能的捕获(MPPT)控制；能够减小噪音。

（2）风电场的主要并网方式

在风力发电系统中，特别是大规模的风电场建设中，有采用单机控制模式，也有采用多极控制的模式，如图1-1 风电场建设的主要并网结构。

齿轮箱无功补偿齿轮箱

（a） 常规定速风力发电机多机并网结构

AC齿轮箱DCDCAC齿轮箱

(b)共交流母线群结构

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AC齿轮箱DCDCAC齿轮箱ACDC

（c）共直流母线控制结构

齿轮箱DFIG3~机侧变流器网侧变流器齿轮箱DFIG3~机侧变流器网侧变流器

（d）双馈电机多机并网

1-1 风电场建设的主要并网结构

1.3双馈型风力发电技术的研究及现状

1.3.1双馈型风力发电交流控制系统研究概述

自从人们认识双馈电机的以来，双馈电机的设计制造技术就得到不断的提高，双馈电机应用在许多的场合，尤其在大功率场合，包括电动机模式运行和发电机模式运行。而双馈电机又分有刷双馈电机和无刷双馈电机，以下本文出现的“双馈电机(DFIG)”一词在没有特殊声明的情况下，均指有刷型双馈电机。双馈型风力发电机的基本控制结构中，功率控制部分包括对风力机桨距角的控制以便在高风速时限制风力发电机的最大捕获功率，在低风速时桨距角通常保持不变，功率控制起到最大风能捕获(MPPT)的作用。变流器的控制包括转子侧变流器的控制和网侧变流器的控制，转子侧变流器主要用于对双馈电机的各种运行性能进行控制，网侧变流器主要用于控制直流电压，通常还具有对双馈电机定子电压和电网无功功率进行补偿控制的作用。电力调控来自于电力运行部门对风力发电杌或者风电场的电力调度。

对双馈型风力发电机丽言，由于其转子能量的双向流动性，需要转子变流器为双向变流器。目前可用于双馈电机的变流器拓扑结构主要可分为循环变流器(Cycloconverter)、交直交变流器(AC．DC-ACconverter)和矩阵变换器(Matrix Conver)三种类型。

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(1) 循环变流器(Cycloconverter)

循环变流器是把电网工频交流电直接变换成频率电压可调的交流电的变频电路。常用的6脉冲交交变流器有36个晶闸管反并联组成，每一相有12个晶闸管组成桥式电路，并且每一相都对应着三相输入。除6脉冲36个晶闸管构成的交交变流器外，还有12脉冲72管的交交变流器。

率较低，这一变流器的优点为；1)除隔离变压器外全部为电力电子器件，省去了中间储能环节

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(电感、或电容)，提高了变换效率；2)这类变流器多采用晶闸管自然环流方式工作，提高了工作的可靠性：3)开关频器件的开关损耗较低。并且采用晶闸管作为开关器件较容易满足大功率的要求。

尽管这一变流器具有诸多优点，技术相对较为成熟，但目前在双馈型风力发电机中应用依然较少，其主要原因有：1)晶闸管采用自然环流方式，变流器始终从电网吸收无功功率，功率因数较低；2)开关频率较低，谐波含量较大，通过双馈电机定转子之间的耦合作用．致使其电能质量较差，难以满足电网对风力发电机的要求；3)使用的器件较多，并且需要骗离变压器；动态响应较慢，当电网出现故障，如电网电压跌落时，难以对双馈电机进行较好的控制。

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(2)交直交变流器 交直交变流器，依据其中问储能环节的不同又可分为电流源型交直交变流器和电压源型交直交变流器，如图l一2所示。

电压源型交直交变流器是应用较为广泛的一种拓扑结构，电流源型变流器在电力拖动领域应用较为广泛，尤其在一些大功率变流场合，电流型变流器因其通常采用晶闸管器件，具有较大的电流密度，因此在大功率传动场合也得到了较为广泛的应用。相对于其它类型的变流器而言，这一类型的变流器最大的特点就是其中间储能环节—电感或者电容，这既是这一拓扑结构的优点也是这拓扑结构的不足，中闻直流储能环节使得背靠背的两个桥式变流器的控制可以独立进行。但无论是采用直流电感储能还是采用直流电容储能都增加了变流器的体积，并且也增加了变流器的损耗。相对于电压源型变流器而言，电流源型变流器中的直流电感能在故障情况下，尤其在电网电压跌落或者恢复过程中，直流电感能够限制流过功率器件的电流变化率，从而起到保护功率器件的作用。但电流源型交直交变流器也存在着其明显的不足之处，当采用方波调制时变流器的输出含有较丰富的低次谐波，并且由于双馈电机转子漏感的作用能够产生威胁到电机绝缘安全的尖峰电压。为此在大多数此类变换器中在其输出端装有并联电容器，用于吸收尖峰电压，当采用PWM调制时也需要在其输出端并联电容器用于吸收纹波电流，但这容易造成滤波电容和电机漏感之间谐振，控制较为复杂。相对于电流源型背靠背变流器而言，电压源型背靠背变流器的控制较为简单，但这一拓扑结构在其输出端会产生较大的电压应力，同样影响电机绝缘寿命。通常需要在其输出端或电机端增加滤波器以抑制较大的电压变化率。无论是电压型交直交变流器还是电流型交直交变流器，当采用PWM调制时会有较大的开关损耗。

网侧变换器转子侧变换器电网uaubucRRRLLLUdc＋—L2L2L2R2R2R2eaebec

（a） 电压源型交直交变流器

网侧变换器转子侧变换器电网uaubucRRRLLLUdcL2L2L2R2R2R2eaebec

（b） 电流源型交直交变流器

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图1-2 交直交变流器

电压源型交直交变流器是应用较为广泛的一种拓扑结构，电流源型变流器在电力拖动领域应用较为广泛，尤其在一些大功率变流场合，电流型变流器因其通常采用晶闸管器件，具有较大的电流密度，因此在大功率传动场合也得到了较为广泛的应用。相对于其它类型的变流器而言，这一类型的变流器最大的特点就是其中间储能环节—电感或者电容，这既是这一拓扑结构的优点也是这拓扑结构的不足，中闻直流储能环节使得背靠背的两个桥式变流器的控制可以独立进行。但无论是采用直流电感储能还是采用直流电容储能都增加了变流器的体积，并且也增加了变流器的损耗。相对于电压源型变流器而言，电流源型变流器中的直流电感能在故障情况下，尤其在电网电压跌落或者恢复过程中，直流电感能够限制流过功率器件的电流变化率，从而起到保护功率器件的作用。但电流源型交直交变流器也存在着其明显的不足之处，当采用方波调制时变流器的输出含有较丰富的低次谐波，并且由于双馈电机转子漏感的作用能够产生威胁到电机绝缘安全的尖峰电压。为此在大多数此类变换器中在其输出端装有并联电容器，用于吸收尖峰电压，当采用PWM调制时也需要在其输出端并联电容器用于吸收纹波电流，但这容易造成滤波电容和电机漏感之间谐振，控制较为复杂。相对于电流源型背靠背变流器而言，电压源型背靠背变流器的控制较为简单，但这一拓扑结构在其输出端会产生较大的电压应力，同样影响电机绝缘寿命。通常需要在其输出端或电机端增加滤波器以抑制较大的电压变化率。无论是电压型交直交变流器还是电流型交直交变流器，当采用PWM调制时会有较大的开关损耗。

[11,13]

3)矩阵变换器

为了既省去电压源或电流源变流器的中间直流储能环节，同时又不像循环变流器那样含有较多的低次谐波，另一种交交直接变化的变流器——矩阵变流器的研究受到关注。

矩阵变换器是通过3×3开关阵列实现对输出电压的幅值和频率进行控制的，在对矩阵变换器开关状态进行组合时，通常需要满足两个约束条件：其一，为了避免电源之间的短路，转子绕组的每一相上只能有一个功率器件接通；其二，为了避免转子绕组开路，转子绕组的每一相在任何时候都应至少有一个开关接通。一般来说开关阵列有27种组合，其中三相负载连接到电源三个不同相上的组合有6种，有18种开关组合使得双馈电机转子绕组两相短路，还有3种组合使得双馈电机转子绕组

[14]

三相短路。

从以上分析不难发现，任何一种变流器都存在着其独特的优势和不足之处，具体应用时可根据不同的要求从器件的多少、效率、谐波含量、控制的复杂性等多方面进行考虑。

1.3.2双馈型风力发电变流控制策略的研究[14,15]

双馈电机以其独特的优势得到了较为广泛的应用，尤其是在风力发电领域。特别是双馈风力发电机组容量向兆瓦级发展的同时，超大规模风电场的也就随之出现，风电在电网中所占的比重越来越高，风电的电能质量就对整个电网系统所产生的影响就越来越大，使得对双馈电机的运行控制性能的要求也越来越高，而决定双馈电机运行性能的关键在于双馈电机的驱动控制系统。因此并网技术越来越受到关注，如果电能质量低，在发电的过程中就会产生较大的冲击电流，会使电网电压产生波动、损坏发电机部件等现象。因此根据发电机转速以及电网电压，来调节转子侧励磁电流，对风力发电系统进行有效的并网控制，目的是实现风力发电系统的“软并网”。这样就能实现双馈风力发电系统运行稳定、安全、可靠的目的，并向电网送出高质量电能。

而电网的故障也会给风电系统带来影响，当电网电压故障时，会对并网的变频器和风力发电机有很大的影响，甚至损坏。所以研究双馈电机的控制策略得到了学术界广泛关注，概括起来主要有：

[16-17][18][19- 20]

矢量控制策略、直接转矩控制策略(DTC)和直接功率控制策略(DPC)、多标量控制策略 、

[21-23]

双通道多变量反馈控制侧略等，另外还有针对电网故障情况下的控制策略，如电网电压不平衡

[24-25][26-27]

控制镱略和双馈电机的低电压穿越(LVRT)控制策略等，还有近年来得到研究的无速度传感

[28-29]

器控制策略。 本文主要通过矢量控制来调节励磁，可以使得发电机输出的有功功率和无功功率实现独立的解

1

双馈型风电系统安全运行的研究

耦调节。在尽可能实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网的功率因数，以至提高电力系统的动、静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，并网时发电机和电力系统就可以实现柔性连接，这样并网就相对容易，而且并网运行后一般也不会发生失步现象。而在变速恒频系统中电力电子装置的容量相对较小，这样就降低了系统的设备成本。由于转子侧与系统交换的能量只有总能量的滑差部分，即滑差功率，因此励磁电源的容量只取决于所设计的转速调节范围的大小。

1.4选题依据和本文的主要内容

1.4.1电网故障对风力发电系统的影响

1、常见的电网故障类型

[30,31][32]

电网故障可分为稳态较小值电网电压不平衡和瞬态大值电网电压跌落，包括对称和不对称跌落。瞬态电网电压骤降或跌落(Voltage Dip)指电力系统的高压端某处（3）在做大容量方面提出了SVG多台并联的控制方式，给出了多台并联的三种方案。即：基于无功功率分配的并联控制方法、基于限容控制策略的并联控制方法、基于一套互感器无互联式的并联控制方法。并分别对其作了详细分析。解决了容量与开关频率之间的矛盾。

（电压瞬时跌落10％～90％的额定电压幅值，并持续半个电网周期到几分钟时间的电网故障。电网电压跌落根据其产生原因的不同可分为三大类：大电机再加速引起的电压跌落、大电机启动引起的电压跌落和电网发生故障引起的电压跌落。相对于前两者电压跌落情况，由电网故障产生的电压跌落更加复杂，且根据故障后三相电压是否对称，又可分为对称故障和不对称故障两种。

电网电压故障一般出现在电力传输系统中的高压输。电端故障类型大致可分为四种典型情况：三相电压等幅跌落、单相对地短路故障、相间电压故障、两相对地短路故障。

本文重点研究电网小值稳态平衡和三厢对称短路对DFIG风力发电系统的影响，并提出DFIG风电机组相应故障穿越运行的控制策略和保护措施．

[33][34]

2、电网故障对DFIG风电系统的运行影响

我国自“十五”期间一对交流励磁DFIG风力发电机组理想电网条件下的运行控制进行了较为深入的分析和研究。但在工程实际中电网表现出非理想特性，电压跌落就是一种比较常见的故障形式，研究这种故障下DFIG的行为、特性，提高风力发电机组对这种故障的适应能力，已成为国内外研究的热点。

DFIG风力发电机系统中发电机定子通过变压器与电网联接，电网出现的故障将直接影响到发电机本身的运行，再由于DFIG转子励磁变频器容量有限，只能对发电机实施有限能力的控制，与基于全功率变换器的风力发电系统相比，DFIG风电系统表现出对电网故障非常敏感，承受能力也较差。电压跌落时会导致转子侧过电流，转子侧电流的迅速增加还会导致直流侧电压升高。发电机侧变流器的电流以及有功、无功功率会产生振荡。而定子磁链不能跟随电压突变，会产生直流分量。为了保护连接在转子侧的变流器，采用过电压、过电流保护措施势在必行。本文将分别论述小值故障和大值瞬态对称故障对DFIG风电系统运行特性的影响． 3、电网故障时DFIG风电系统的保护措施

双馈型风电系统当电网电压发生跌落时，输出电压就会下降，此时只有把输出电流增大，使得变流器从风力机吸收的功率与输送到电网的功率保持平衡。而变流器的主电路通常由功率半导体器件来构成，热容量有限，必须对电流进行限制，当电网电压跌落的幅度比较大时，变流器的输入和输出功率就会发生不平衡，在这种情况下，一般采用两种解方法：一是减小风力机输入的功率；二是增加外设的Crowbar电路来吸收多余的能量。当跌落发生时，可以减小发电机定子的输出功率，以此降低发电机的电磁转矩，在输入风能不能突变的情况下，电机转子将会加速，当转速达到设定的保护值时，系统就会控制风力机变桨来降低捕获的风能，使系统达到功率平衡。但这种方法受到

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变桨执行机构等因素的限制，响应速度较慢，在短时故障恢复时，系统恢复到正常运行也较慢。因此可以通过增加外设Crowbar电路，当系统发生故障短时，目的是保持风力机和发电机运行正常，从而使得在故障恢复时，风电系统能迅速恢复正常工作的状态。

1．4．2本课题的研究目标

本课题研究目的是在于研发出可在的小值电网电压跌落的故障下，通过自身的控制策略来实现保护，在大值电网电压跌落故障下通过快速短接保护技术，外加Crowbar结构来实现保护，在者通过对称故障来选择Crowbar电路的最优电阻阻值，通过三种方案来研究Crowbar电路的投入时间和切除时间来实现系统的有效控制，使得更有效的有利于DFIG低电压穿越运行和励磁交换器安全。

1．4．3本课题研究内容及具体安排

本课题以双馈型风力发电系统低电压穿越时的自身的控制策略和Crowbar保护技术为研究主体，从双馈型风力发电系统的数学模型出发，分析其故障运行特性，研究Crowbar电路的阻值选择、投入时间、切除时间，并建立各种仿真模型，从理论与实验的角度完成预期的课题目标。

本文主要研究的内容有以下几个方面：

第一章：介绍了课题研究背景及意义、风力发电的现状与发展、电网故障对DFIG风电系统的运行影响、风力发电系统主要机型与并网结构、双馈型风电系统的研究情况。

第二章：主要介绍了双馈型风力发电系统的基础理论和建立了一些不同坐标系下的数学模型。首先建立了三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相任意速旋转坐标系中的DFIG的数学模型和网侧PWM变换器，并以此为基础建立了两相同步速旋转dq坐标系的DFIG风电机以及网侧和机侧变换器一体的发电系统的模型。

第三章：以第二章的理论基础和数学模型为基础，分析了双馈型发电系统的瞬时功率和无功功率的成分。网侧PWM变换器采用典型的电网电压定向的直流环节和电流的双闭环矢量控制的策略；转子侧PWM变换器采用了两相同步速旋转dq坐标系下的定子电压定向控制策略和定子侧链定向控制策略的改进方案。

第四章：在电网发生严重故障情况下, 双馈风电机组多采用Crowbar保护电路以实现低电压穿越( LVRT ),而Crowbar阻值和退出时间对LVRT效果有很大影响。文中推导给出了双馈感应发电机(DFIG)三相短路故障后的短路电流的情况以及Crowbar电阻与转子电压的关系取值，并给出了Crowbar阻值的整定方法。通过三种方案来研究Crowbar电路投入的时间以及短路后转子电流特性。仿真结果表明，选择合适的阻值和选择合适的投切时间对系统的运行有利。

第五章：为了验证电网故障下DFIG风电机组的增强控制的效果，通过对1.5MW的双馈型变频器样机进行了深入的检测。本章首先介绍了该变频器的的组成结构，然后着重讨论了双PWM变换器的控制系统的硬件和软件的设计与研制。在测量中，得到了比较完善的结果，映证了DFIG放系统理论和关键技术的有效性，实现了理论联系实际的研究。

1.5 本章小结

本章介绍了课题研究的背景及意义、风力发电的现状与发展、电网故障对DFIG风电系统的运行影响、风力发电系统主要机型与并网结构、双馈型风电系统的研究情况。

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第2章 双馈风力发电机组的基本原理及运行控制

随着电力电子技术及电气控制技术的发展，以及双馈异步电机在电气性能上具有的一系列优点，它能够在较宽风速范围内实现最佳风能跟踪的控制，不管是在电动机工况还是在发电机工况下，都随着交流励磁的改变，而可以调节电机转速变化，来保证定子输出电压和频率的恒定不变，这样既调节了电网的功率因数，又能提高系统的稳定性。其缺点就是对电网电压的变化比较敏感。特别是当电网电压发生跌落时，如何保证双馈电机不脱离电网继续运行，如何避免机组中励磁变换器的损坏是当今研究的核心课题，也是风电系统研究的重要问题。

2.1风电机组介绍

风电机组可以按照其运行方式、控制原则以及拓扑结构的不同进行分类，例如：恒速风电机组与变速风电机组是按照运行的转速范围来分的；定桨距与变桨距风电机组是按照风电机组叶片控制方式来分的；按照采用的发电机类型可以划分为基于普通异步发电机(无电力电子变流器)、基于双馈感应发电机(采用部分功率电力电子变流器)、基于多极同步电机(采用全功率电力电子变流器)的风电机组，本论文主要就双馈感应发电机组展开研究。

双馈型风电系统感应发电机的变速、变桨距控制的风电机组，如图2-1所示。从图上可以看出，发电机的定子直接连接入电网，转子通过部分功率变流器来接电网，能量通过两个通道流入电网，因此称之为双馈感应发电机。这样的变速风电机组是通过变流器来实现发电机的有功、无功功率解耦控制，从而使风电机组具有变速运行的特点，提高风电机组风能转换效率，实现最大风能捕获并还能减小风电机组机械部件所受应力；调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。

感应发电机结构相对简单、运行比较可靠，投入电网比较简单。其并网运行时，定子电压和频率都取决于电网电压和频率，与转速无关；此外，主磁场和漏磁场所需的滞后无功功率均由电网来供给。

随着社会的发展，能源的枯竭问题，我国对风力发电的越来越重视，一些相关规范标准的出台，电力系统中风电系统装机容量也就在大幅增加，这样，必然会对电网的安全稳定运行带来前所未有

[35]

的挑战，同时，也对风电机组的运行特性提出新的更高的要求。为进行相关电力系统的研究，相应风电机组和风电场模型的建立就显得尤为重要。本文针对基于双馈感应发电机的变速风电机组进行了建模和仿真，主要包括：

(1)风力机模型：包括轴系模型、桨距角控制；

(2)双馈异步发电机组模型：双馈感应发电机动态与静态数学模型、变流器模型、变流器解耦控制模型；

2.2双馈感应风力发电系统的基本原理

如图2—1是双馈型感应风力发电系统的组成结构，它包括：风力机、双馈感应发电机、励磁变流器和变压器，风力机是把风能转变成机械能，而双馈感应发电机是把机械能转变成电能，然后再由变压器将电能输送给电网。在双馈型感应发电系统中，发电机的转子绕组与励磁变换器中的转子侧变换器相连接，而网侧变换器是通过变压器直接与电网相连接。在运行中，励磁变换器根据具体的运行策略来控制转子侧变换器输出电压的相位、频率及幅值，从而实现对双馈感应风力发电机的

[10，35]

励磁调速控制。

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双馈感应发电机(Doubly．Fed Induction Generator，)又称交流励磁电机，以下简称DFIG。它在结构上类似与绕线式异步电机，定、转子均安放对称的三相绕组。定子与普通交流电机定子很相似，对称三相电源激励定子绕组的频率是固定的。电机的定、转子极数也相同。在控制过程中，DFlG转子一般由接到电网上的变换器来控制，参与发电机的励磁变换。发电机的定、转子都进行励磁，因此定、转子都有能量的流动，所以“双馈”的含义由此而产生．电机的转速就由定转子间的转差频率来确定。

双馈发电机的结构类似于绕线型感应电机，就是在普通绕线式异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑环与定子之间的四象限变流器及其控制系统而构成的，转子通过四象限运行的变流器与电网连接，可实现功率的双向流动。流过转子电流的功率仅为额定功率的10％-25％，只需要较小容量的变流器就可以实现有功、无功的灵活解耦控制。发电机中转子的电角速度、转子外加励磁电源产生的旋转磁场角速度与同步磁场转速织的关系为：?s??r??e

双馈感应发电机为异步发电机运行，其转子转速可以通过改变交流励磁电源的频率进行调节，克服了传统同步发电机必须严格同步的限制，把发电机机械与电气之间的刚性联系变为柔性的联系。由于双馈电机的数学模型是一组时变、多变量的微分方程组。因此要对双馈发电机进行控制必须要建立双馈电机的数学模型，并对其分析来找出适合的励磁控制方法和策略。

电网叶片[36,37]齿轮箱DFIG3~双馈感应发电机CROWBAR机侧变流器网侧变流器图2-1双馈感应发电机系统

2.3双馈感应风力发电机的数学模型

双馈发电机的数学模型主要三相ABC坐标系、两相任意速旋转dq坐标系中的数学模型。

2.3.1三相定子静止坐标系下DFIG的数学模型[38]

在研究双馈发电机的数学模型时，选定正方向。定、转子绕组均采用电动机惯例，即向绕组内部看时，电压降的正方向与绕组电流的正方向一致，正值电流产生正值磁链(即符合右手螺旋法则。

双馈发电机及其双馈调速系统是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了简化它的数学模型，作以下假设：

设定、转子磁路对称；

（1）气隙磁场在空间上沿气隙圆周按正弦规律分布；

（2）只考虑气隙基波磁场作用，忽略了电机磁路饱和及铁心磁滞、涡流的影响；

（3）并认为定、转子磁路的磁导率为常数，不计温度和频率变化对电机参数的影响，并且把

[17，39-40]

转子绕组等效折算到定子侧，折算后的定转子每相匝数相等。

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UBiB?rUbib?rUa.icUciCUCiaiAUA

图2-2双馈电机等效物理模型

双馈电机等效物理型示意图如图2-2所示。定子三相绕组A、B、C空间位置固定互差120。转子绕组a、b、c对称分布，并且轴线随转子旋转，假设转子a轴和定子A轴之间所夹电角度为表示，是空间角位移变量。

（1）电压方程 三相定子电压方程

d?sA?u?Ri?ssA?sAdt?d?sB?（2-1） ?usB?RsisB?dt?d?sC?u?Ri?ssC?sCdt?三相定转子电压方程

d?ra?u?Ri?rra?radt?d?rb?（2-2） ?urb?Rrirb?dt?d?rc?u?Ri?rrc?rcdt?usA、usB、usC、ura、urb、urc、isA、isB、isC、ira、irb、irc、?sA、?sB、?sC、?ra、?rb、

?rc分别为定转子瞬时电压、瞬时电流、绕组磁链；Rs、Rr为定转子绕组电阻。

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把电压方程写成矩阵形式为: U?RI?P?

?usA??Rs?u???sB??0?usC??0?????ura??0?u??0?rb???0??urc???0Rs000000Rs000000Rr000000Rr00??isA??i?0???sB?0??isC?????0??ira?0??irb????Rr????irc????sA?????sB????p?sC? （2-3） ??ra???rb?????rc???（2）磁链方程

????LL??I????s???sssr??s??LI（2-4）

??r??LrsLrr??Ir?1111????L?L?L?LL?L?L?Llsmsms?lrmrmr??ms?mr2222????1111其中Lss???LmsLms?Lls?Lms? Lrr???LmrLmr?Llr?Lmr?

?2??2?22?1??1?1L?L1L?Lls?lr???Lms?Lmsms??Lmr?Lmrmr?2???22???2??cos?rcos(?r?120o)cos(?r?120o)??Too?Lsr?Lrs?Lms?cos(?r?120)cos?rcos(?r?120)?（2-5） ?cos(??120o)cos(??120o)cos??rrr??式中，Lms是与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；

Lmr是与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的转子互感值。由于折算后定、转子绕组匝

数相等，且各绕组间互感磁通都通过相同气隙，磁阻相同，故可认为Lmr?Lms；

Lls，Llr分别为定、转子漏电感；?r转子电角度。

把磁链方程代人电压方程得

U?RI?P??RI?LdIdL（2-6） ??rIdtd?r（3）转矩方程

由机电能量转换原理可得，电磁转矩可表达为

dL?1?dLTe?np?IrTrsIs?IsTrIr?（2-7）

2?d?rd?r?其中，np为双馈电机极对数。将电感方程代入转矩方程中可得

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Te??Lmsnp[(iSAira?iSBirb?iSCirc)sin?r?(isAirb?isAirc?isCira)sin(?r?120o)?(isAirc?isBira?isCirb)sin(?r?120o)]（2-8）

（4）运动方程

D为阻转矩阻尼系数；K为扭转弹性转矩系数。 TL为双馈电机转轴上作用的力矩；j为转动惯量；

Te?TL?jd?rDk??r??r（2-9）

npdtnpnpjd?r（2-10）

npdt如果D=0，K=0，就有

Te?TL?（5）功率方程 5）功率方程

发电机定子侧输出的瞬时功率表达式为:

Ps?uAiA?uBiB?uCiC （2-11）

发电机转子侧输出的瞬时功率表达式为:

Pr?uaia?ubib?ucic （2-12）

瞬时功率的实用意义比较小，用有功功率P,无功功率Q和视在功率来反映正弦电流电路的能量交换。我们再综合考虑到

?r?d?r（2-13） dt这样，就便构成三相静止坐标系的DFIG数学模型。而这个非线性、时变性、强耦合多变量系统方程，必须通过坐标变换才能实现系统的解耦，才能实施相对应的线性控制策略。

2.3.2任意速旋转坐标系下DFIG的数学模型

以角速度?旋转的任意速dq坐标系，与两相定子静止坐标、两相转子速旋转坐标之间的关系如图2-3所示

可得三相定、转子绕组变换到任意速旋转dq坐标的变换矩阵为

CABCs/dq?2?cos??3??sin????'2?cos??3??sin?'??cos(??2?)cos(??2?)?33?（2-14） ??sin(??2?)?sin(??2?)33?cos(?'?2?)cos(?'?2?)?33?（2-15）

''?2?2??sin(??)?sin(??)33?Cabcr/dq运用以上式子，就可以将三相定子静止坐标系中的DFIG的数学模型变换到两相任意速旋转d、q

坐标系中，可表示为

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qB?r?sd???'?F??rr?rd?sAC

图2-3 三相定子静止ABC坐标系、两相定子静止坐标系、两相转子旋转坐标系和任意速旋转dq

坐标系的空间矢量关系

（1）磁链方程:

??sd???sq???rd??rq??Lsisd?Lmird?Lsisq?Lmirq?Lmisd?Lrird?Lmisq?Lrirq（2-16）

?sd、?sq、?rd、?rq分别为定子和转子磁链的d 轴、q 轴分量；isd、isq、ird、irq分别为定

子和转子电流的d轴、q 轴分量；Lm、Ls、Lr分别为互感、定子和转子电感。

（2）电压方程

?usd??usq??urd?u?rq?Rsisd?p?sd???sq?Rsisq?p?sq???sd?Rrird?p?rd?(???r)?rq?Rrirq?p?rq?(???r)?rd（2-17）

usd、usq、urd、urq分别为定、转子电压的d、q轴分量；Rs、Rr分别为定子绕组和转子绕组

电阻?、?r分别为定子角速度和转子角速度;p为微分算子。

将磁链方程代入电压方程，写成矩阵形式为：

?usd??Rs?Lsp??LsLmp??0Lm??isd?0?????iRs?Lsp?0LmLmp??usq???0Ls??sq? （2-18） ??u??Lp??sLmRs?Lrp??sLr??ird?m?rd???????LLp??LR?Lpui??smmsrsr?????rq????rq?（3）运动方程和转矩方程

通过坐标变换，机电运动方程没有变，但是电磁转矩方程却发生了变化：

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Tl?Tem?Jd? （2-19）

npdt电磁转矩表达式为： Tem?3npLm(isqird?isdirq)?3npLm(?sqird??sdirq)22Lr?np32Lm(?rdisq??rqisd)Lr323?np(?rqird??rdirq)2L3?npm(?sqird??sdirq)2?LsLr?np(?sdirq??sqisd) （2-20）

L2其中，?是总漏磁系数，且??1?m。

LsLr（4）功率方程

定子有功、无功功率分别为：

?3P?(ui?usqisq)??s2sdsd （2-21） ?3?Q?(ui?ui)ssqsdsdsq?2?综上所述，可以通过三相定子静止坐标系到两相dq旋转坐标系的变换，把定子电流分成d、q

轴分量，就可以对励磁分量和转矩分量分别进行独立的控制，以此达到像控制直流电机那样来对三相交流双馈异步电机进行控制的目的，为控制策略的研究打下了基础。

2．3.3同步速旋转坐标系中DFIG风电机组的等效模型

由于各绕组之间存在强耦合性，电磁转矩和定转子间电流的非线性，为了便于分析和控制，通过坐标变换，把将ABC坐标系下的双馈感应发电机模型变换到两相同步旋转坐标系下，时变的电感值以及工频分量都转化为非时变的值及直流分量，这样的模型便于分析和控制。

同步旋转坐标系下DFIG的电压方程和磁链方程为

d?s?u?Ri??j?s?sss??sdt（2-22） ?d?r?u?Ri??j(?s??r)?rrrr?dt???s?LsIs?LmIr（2-23） ???r?LmIs?LrIr?Ls?Lls?Lm ?L?L?Llrm?rus、ur分别为定、转子端电压矢量；?s为电网同步角速度；?r为转子电角速度；?s、?r分

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别为定、转子磁链矢量; Is、Ir分别为定、转子绕组的电流矢量；?slip??s??r滑差电角度；Lm、

Lls、Llr分别是定、转子之间的互感、定子漏感和转子漏感；

+IsUsRsLls?sj?s?rLmLlr?rRrIr+--

j??rslip+Ur--+（a） 两相同步速旋转dq坐标系中DFIG的等效电路

+IgRgLg+VgpgicCiload+IrUrUs--j?sIgLg-+Vdcpr-（b）两相同步速旋转dq坐标系中网侧、转子侧PWM的等效电路

图2-4两相同步速旋转dq坐标系中DFIG风电机组的等效电路

同步旋转坐标系下DFIG的电压方程和磁链方程为

d?s?u?Ri??j?s?sss??sdt（2-22） ??u?Ri?d?r?j(???)?rrrsrr?dt???s?LsIs?LmIr（2-23） ???LI?LImsrr?r?Ls?Lls?Lm ??Lr?Llr?Lmus、ur分别为定、转子端电压矢量；?s为电网同步角速度；?r为转子电角速度；?s、?r分

别为定、转子磁链矢量; Is、Ir分别为定、转子绕组的电流矢量；?slip??s??r滑差电角度；Lm、

Lls、Llr分别是定、转子之间的互感、定子漏感和转子漏感；

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同步速旋转dq坐标系中双馈感应发电机网侧变换器电压方程的矢量形式为

dig?u?Ri?L?j?1Lgig?vgggg?gdt?（2-24） ?ppdVp?Cdc?r?g?i?gload?dtVVVdcdcdc?根据式（2-22）、（2-23）、（2-24）能得到矢量形式的DFIG等效电路和网侧以及转子侧变换器的等效电路如图2-4所示。

ug为电网电压矢量；ig为网侧变流器输入电流矢量；vg为网侧变流器交流侧电压矢量；pg、pr分别为网侧、转子侧变流器的输出、输入功率；Vdc为直流侧电压。

电网输出的总有功功率为p?ps?pr?pcl?pfh?pe（2-25）

3322?d?s?d?r??pcl??RsIs?RrIr?pcs?pcr，pfh??Re?Is?Ir?

22dtdt??DFIG

输

出

的

e总电磁

s功

m率为

pe?3pe??s2(p??rL)3?2i?(i?ir3?)di（2-26） s2?q(L???LmLm??????通过等效变换 Lm(irdisq?irqisd)?Im?LsIsIr??Im??sIr??Im??sIs?（2-27）

Ls??Ls????由式2-27）的变换，把式（2-26）变换为

3Lm3??????pe??Im??sIr????rIm??sIs?（2-28）

2Ls2????pcl为定、转子绕组的铜耗；pfh为磁场储能变化而引起的电磁功率；pe为DFIG定、转子总的

输出电磁功率。

在正常运行的情况下，双馈型感应发电机的定子、转子的磁场不发生变化，即pfh?0 那么，DFIG定子侧输出的有功功率为

??3?ps??Re?UsIs??pes?pcs（2-29）

?2?由式（2-25）和（2-26）可得DFIG转子侧输出的有功功率为

pr?per?pcr???s??rps??sps（2-30） ?s如果不考虑由于磁场变化而引起的电网输出的无功，DFIG输出的电网无功功率为

???3?3?????Qs??Im?UsIs??Im?j?s?sIs????sRe??sIs?（2-31）

????2?2?DFIG网侧定子输出有功和无功功率分别为

24

硕士学位论文

???3?p??ReUIgsg?????2?（2-32） ???Q??Im?3UI?gsg????2??由式(2-31)和式(2-32)可以看出，DFIG风电机组中网侧变换器与DFIG定子侧都可以向电网输

出无功功率，这将对电网电压故障时向电网提供无功功率非常有利，这就增强DFIG风电机组在电网故障下的不间断运行能力，同时在电网电压恢复时提供帮助

2．4网侧双PWM变换器数学模型

双馈感应发电机的驱动变换器是背靠背的双PWM变换器，这种交-直-交的结构，用直流母线电容来实现两变换器间的解耦，这样就使得两个变换器可以独立地分开控制并且不会相互干扰。如果电网侧出现轻微故障时，就可以通过对网侧变换器的控制，有效地保持直流母线电压不变，从而隔离对转子侧变换器控制的影响；反过来，DFIG转子侧出现不正常的情况时，只需要通过对转子侧的有效控制就可以解决，而对网侧变换器的影响就相当于一个负载的扰动。因此，这种交-直-交结构的变换器从自身的特点上来说，就具有对电网故障有较强适应的能力。

网侧PWM变换器的数学模型是实现控制的基础，在DFIG风电机组的双PWM励磁变频器中，网侧PWM变换器的负载就是转子侧PWM变换器，主电路如图2-5所示。uga、ugb、ugc分别为三相电网的相电压；Rga、Rgb、Rgc分别为包括电抗器电阻在内的每相线路电阻；iga、igb、igc分别网侧变换器的三相输入电流；Lga、Lgb、Lgc分别为每相进线电抗器的电感；Vdc为直流母线电压；vga、vgb、

vgc分别为网侧PWM变换器的三相交流侧相电压；iload为直流侧的负载电流； C为直流母线电容。

?iloadRgaLgaLgbRgcLgcRgbigaigbigcuga~ugb~ugc~vgavgbvgc+-Vdc

图2-5网侧PWM变换器电路图

假定图2-5中的功率器件都是理想开关器件，Sga、Sgb、Sgc为各相桥臂理想功率器件的开关函数；上桥臂导通，下桥臂关断为1，下桥臂导通，上桥臂关断为0；则三相静止坐标系网侧变换器的数学模型为：

1

双馈型风电系统安全运行的研究

digadigb??SgaVdc?ugb?igbRgb?Lgb?SgbVdc?uga?igaRga?Lgadtdt?digbdigc?u?iR?L?SV?u?iR?L?SgcVdc（2-33） ?gbgbgbgbgbdcgcgcgcgcdtdt??dVdc?Cdt?Sgaiga?Sgbigb?Sgcigc?iload?变频器采用无中线的接线，有基尔霍夫定律可知，交流侧电流之和为零，即有

iga?igb?igc?0（2-34）

将式（2-34）代入式（2-33）可得

?digauga?ugb?ugc?Sga?Sgb?Sgc?L?u?iR??S??gagagaga?ga?Vdcdt33????diu?ugb?ugc?Sga?Sgb?Sgc??Lgbgb?ugb?igbRgb?ga??Sgb??Vdc?dt33??（2-35） ?uga?ugb?ugc?Sga?Sgb?Sgc??digcL?u?iR??S??gcgccagc?gc?Vdcdt33????dVdc?Sgaiga?Sgbigb?Sgcigc?iload?C?dt网侧变换器交流侧输出的线电压与各相桥臂开关之间的关系为

?vgab?(Sga?Sgb)Vdc??vgbc?(Sgb?Sgc)Vdc（2-36） ??vgca?(Sgc?Sga)Vdc把上式（2-36）的线电压关系转变成相电压关系，即

Sga?Sgb?Sgc?)Vdc?vga?(Sga?3?Sga?Sgb?Sgc?v?(S?)Vdc（2-37） ?gbgb3?Sga?Sgb?Sgc?v?(S?)Vdc?gcgc3?在将式（2-37）代入式（2-35）得到PWM网侧变换器的数学模型为

digauga?ugb?ugc?L?u?iR??vgagagaga?gadt3?digbuga?ugb?ugc?L?ugb?igbRgb??vgb??gbdt3（2-38） ??Ldigc?u?iR?uga?ugb?ugc?vgccagcgcdc?gcdt3??CdVdc?Si?Si?Si?igagagbgbgcgcload??dt这个三相静止坐标系的模型虽然直观明确，但设计控制系统比较难，为了方便设计控制系统，

26

硕士学位论文

一般都是通过坐标变换来简化这个数学模型，把它变为dq和??坐标来实现控制。

三相静止坐标系到两相静止??坐标系的变换矩阵为

C3s/2s1??2?12??3?03??21?2??（2-39） 3??2???两相静止??坐标系到两相任意速旋转dq坐标系的变换矩阵为

?cos?C3s/2r????sin?sin??（2-40） ?cos??图2-6是空间矢量在三相静止坐标系和??坐标系以及dq坐标系的空间位置关系图。（F可以代表电压、电流，磁链等空间矢量）

三相进线电抗器的电感和电阻相等，Lga?Lgb?Lgc?Lg，Rga?Rgb?Rgc?Rg,通过变换矩阵进行坐标变换，可以得到在两相??静止坐标系中网侧变换器的数学模型

dig???vg??ug??Rgig??Lgdt?dig??u?Ri?L?vg?（2-41） ?g?gg?gdt??dVdc3?Cdt?2(S?ig??S?ig?)?iload?式中，ug?、ug?分别为电网电压?、?分量；S?、S?分别为开关器件的?、?分量；ig?、

ig?分别为电网输入电流?、?分量； vg?、vg?分别为变换器交流侧电压?、?分量。

qb?F?FqdF?F?Fd?a?c

1

双馈型风电系统安全运行的研究

图2-6三相静止abc、两相静止

??和任意速?旋转dq坐标系的空间矢量关系图

通过变换矩阵进行坐标变换，可以得到在任意速旋转dq坐标系中网侧变换器的数学模型：

digd?u?Ri?L??Lgigq?vgdggdg?gddt?digq?u?Ri?L??Lgigd?vgq（2-42） ?gqggqgdt??dVdc3?Cdt?2(Sdigd?Sqigq)?iload?式中，ugd、ugq分别为电网电压d、q分量；Sd、Sq分别为开关器件的d、q分量；igd、igq分别为电网输入电流d、q分量； vgd、vgq分别为变换器交流侧电压d、q分量。

2.5风力发电系统的最大风能捕获原理及机组轴系模型

2.5.1 风力机的气动数学模型

风能是随机性能源。根据贝兹理论，风力机从风中捕捉到的功率用下式表达：

1pm???Cp(?,?)r2v3 （2-43）

2叶尖速比λ 是叶片尖端的线速度与风速之比：

???r (2-44) vpm风力机轴上输出的机机械转矩：Tm??=??Cp(?,?)r?/? (2-45)

12533式中：?风力机叶片半径；?空气密度为；v为风速；Cp(?,?)为风能利用系数；λ为叶尖速比；ω为风轮旋转的角速度；?为桨距角；pm风力机轴上输出的机械功率；Tm风力机轴上输出的机械转矩。

贝茨(Betz)理论提出，风能利用系数Cp(?,?)极限值为59．3％，这就是说风力机从自然风中能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以理解为留在尾流中的旋转动能。贝茨理论将风力机作为理想风力机得出的极限风能转换率为0．593，而实际中根据叶片的数量、叶片翼形以及叶片表面粗糙度等情况，可取为0．25～0．45。现代三叶片风力机可以实现最大值0．46～0．48，具体取值由风厂商给出。Cp与?和?的函数关系为，

12.5?116cp(?,?)?0.22(?0.4??5)e?1（2-46）

?1?1?110.035?3??0.08???1（2-47）

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硕士学位论文

???rv?2?rn（2-48） 60v由式(2-46)～（2-48）可画出Cp(?,?)曲线，如图2-7所示。Cp(?,?)曲线是保持桨距角?不变的风力机性能变化，对于给定的?有且仅有一个固定的最优叶尖速比能使Cp达到最大值。只要保持风轮的速比不变，即风轮叶尖速度与风速同步增减，就可维持机组在最佳效率的最大值下运行。变速控制就是使风轮的速度跟随风速的变化来改变自身的旋转速度，以保持基本恒定的最佳速比

Cp。

图2-7 Cp-β关系曲线图

2.5.2 风力机的最大风能捕获原理

风力发电系统在定桨距的情况下，风速恒定而转速不同时，风力机输出的功率也不同。如果想要达到追踪Pmax（最大功率）曲线的目的，就必须在风速变化的同时及时的调整发电机的转速?r，这样才能保持最佳的叶尖速比?opt。

Pm(W)PeEPoptPcPbPa0CBAv1Dv3v2?1?2?3?r(rad/s)

图2-8最佳功率和风轮转速曲线

风力机在最大风能追踪捕获的运行过程中，机组的功率调节如图2-8所示：假设原来风速为v1，风力机稳定运行在Popt曲线上的A点，而此时风力机输出的机械功率和发电机的输入功率都为Pa保

1

双馈型风电系统安全运行的研究

持一致，此时风力机将运行在转速?1上。如果在某时刻风速升至v2，风力机就运行到B点，其输出功率由就P在调节过程由于滞后性和机械惯性的原因，发电机运行状态仍旧停留在Aa提升到Pb，点，此时风力机输出机械功率（B点）大于发电机的电磁功率（C点），它们之间的功率差将使转速上升（产生加速功率P。在转速提升的过程中，风力机和发电机的转速曲线分别沿着b?Pa）

B?C和A?C上升。当转速到达风力机功率曲线与最佳功率曲线相交的C点时，功率将再一次

达到平衡，此时风力机转速稳定在与风速v2对应的最佳转速?2上。同理，风速从?3到?2的逆调节过程也与此相类似。

总之，在额定风速以下时，风力机将按优化桨距角的定桨距运行，由发电机的控制系统来调节发电机转速与风力机叶尖速比，从而实现风力机最佳功率曲线追踪及最大风能捕获控制；而在额定风速以上时，风力机控制系统将通过改变节距角来调节风能利用系数，使系统按变桨距控制运行，从而控制风电机组的转子转速和输出功率，防止双馈风电机组超越转速极限和功率极限，以至在运行过程中发生事故。所以变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。

[41]

2.5.3机组轴系模型

风力发电机组中的机械传动装置(即轴系)是一个重要部件，其主要功能是把风力机产生的动力传递给发电机。对于异步感应发电机，风轮的转速太低，必须通过齿轮箱变速来达到发电机的发电要求，这就增加了成本。

本论文按照风力机、发电机自然分块的集中质量模型研究，分别由风力机惯量与发电机惯量表示。如图2-9所示，大的质量块对应于风力机惯性时间常数HWT，小的质量块对应于发电机惯性常数HG (双馈机组模型中的齿轮箱惯量包含在发电机惯量中)。在两质量块轴系的运动方程中，分别用风力机的阻尼系数DWT与发电机的阻尼系数DG；表示两质量块的粘性摩擦。

图 2-9 风力机传动链的等效两个质量块模型示意图

两质量块轴系的数学模型可表示为：

30

硕士学位论文

d?WT?2H?WTdt?TWT?Ks?s?DWT?WT?d?G?（2-49） ?Ks?s?TE?DG?G?2HGdt??d?s?dt??0(?WT??G)?式中Ks——轴的刚度系数，kg.m2/s2：

?s——两质块之间相对角位移，rad：

HWT、HG——风力机、发电机惯性时间常数，s；

DWT、DG——风力机转子、发电机转子的阻尼系数，N.m/rad； TWT、TE——风力机机械转矩、发电机电磁转矩，N.m；

?WT、?G——风力机与发电机转子转速，为同步转速(rad／s)

2.6 本章小结

本章从风力发电系统的基本结构介绍出发，分析了双馈异步风力发电机结构及其运行的理论基础。首先介绍了风电机组，然后是双馈感应风力发电系统的基本原理以及建立了三相定子静止坐标系、两相静止坐标系和两相任意旋转坐标系中的网侧和机侧PWM变换器的数学模型，最后介绍了风力机的气动数学模型、风电系统的最大风能捕获原理、机组轴系模型，这些都为后面研究网侧和转子侧的控制策略打下了基础。

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第3章 双馈型风电系统的控制系统

目前，对于双馈型感应发电机的控制策略，已经进行了大量的研究。在电网故障下制约双馈型感应发电机发电系统不间断运行能力始终有两个因素：一是转子侧PWM变换器的最大输出电流；二是直流侧的直流母线电压的上界限和下界限。因此，要提高风电机组对电网故障的能力，关键就是如何提高对双PWM变换器的有效控制，达到减小转子电流的冲击以及保持直流侧直流母线电压的稳定。而对于交-直-交这种结构的变频器来说，网侧PWM变换器的主要功能之一就是要保持直流侧直流母线电压的稳定，以及提高自身的抗负载扰动的能力；而转子侧PWM变换器主要是负责控制转子电流的大小，并且对直流侧直流母线电压的稳定也有一定的影响，对转子侧PWM变换器的控制主要取决于我们所采用的DFIG模型。而在现有的控制模型中，定子磁链定向的同步旋转坐标系DFIG模型、定子电压定向的同步旋转坐标系的DFIG模型最为典型，但这两种传统的矢量控制都是在假定电网电压恒定、不计定子磁链电流动态的过程下的DFIG模型。如果在电网电压不变的理想情况下，两种矢量控制方案都可以使得DFIG风电机组获得良好的动态性能和稳态效果；但在电网电压发生故障的情况下，这种模型的简化前题就不存在了，那么这两种传统的矢量控制方案控制的有效性就会受到严重的影响，所以我们必须加以修正，才能保证在电网电压发生故障的情况下，对DFIG系统进行有效的控制，达到我们预想的效果。

在DFIG风电机组的运行过程中，两个PWM变换器的工作状态的切换是很频繁，所以就不以整流和逆变来分，而是以其结构位置来分，即为网侧PWM变换器和机侧PWM变换器。在具体的运行过程中，两个PWM变换器的功能不近相同。网侧PWM变换器的主要任务有两个：一是保证网侧变换器良好的输入特性，即使得输入波形接近正弦波，谐波含量少，功率因数达到要求以上，并且是可调的，为整个系统的功率因数的控制提供一个通道；二是保证直流侧直流母线电压的稳定性，而这正是两个PWM变换器正常运行的前提条件。转子侧PWM变换器的主要功能也是两个方面：一是为DFIG的转子提供励磁电流分量，以至来调节DFIG定子侧发出的无功功率；二是通过控制DFIG的转子电流的转矩分量来控制风电机组的转速，或者是DFIG定子侧所发出的有功功率，目的是实现最大风能的捕获。

3.1网侧变换器的控制策略

双馈型感应发电机网侧PWM变换器的主要控制目标是：保障输出的直流电压恒定不变，并且要具有良好的动态响应能力，而且还要确保网侧输入电流是正弦波，输入的功率因数要接近 1。当电网电压正常时，采用电网电压定向的电压、电流双闭环矢量控制策略可以满足双馈感应发电机的运行需要。在电网故障或电网电压波动过程中采用传统的双闭环控制方法将很难减小电压跌落时直流母线电压的波动，需要对传统的双闭环控制策略进行改进。下面主要研究电网电压定向的网侧变换器的电压和电流双闭环控制策略[42-43]。

在电网电压定向的条件下，发电机的转子电流d 、q 轴分量分别与发电机输出的有功功率和无功功率之间存在一一对应的关系，利用发电机的转子励磁电压来控制转子电流d 、q轴分量，这样就可以达到控制发电机的输出有功功率和无功功率的目的。

在同步速旋转dq坐标系中，采用d轴的电网电压定向以后，就有usd?US，usq?0，

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而US代表相电压的峰值，由式（2-32）的简化可以得到

3?p??Usigd??g2 （3-1） ??Q?3Uigsgq??2式（3-1）中，pg小于零就表示网侧PWM变换器处于整流工作状态，从电网吸收能量，而大于零表示网侧PWM变换器处于逆变工作状态，能量从直流侧回馈到电网；Qg小于零就表示网侧PWM变换器呈容性，从电网吸收超前滞后的无功功率，而大于零表示网侧PWM变换器呈感性，从电网吸收滞后的无功功率。因此从式（3-1）中就可以看出，采用电网电压定向以后，电流的d、q轴上的分量igd、igq分别代表网侧PWM变换器的有功、无功的电流分量。

根据式（2-24）就可以得到由d轴电网电压定向的网侧PWM变换器交流侧输出的电压dq轴分量的形式

?u??Lg??gd??u??Lgqg??digddtdigqdt?Rgigd?igq?1Lg?usd（3-2）

?Rgigq?igd?1Lg从式中可以看出，ugd、ugq对d、q轴电流的分量有影响外，还可以知道ugq对d、q轴电流的分量受电流交叉耦合项igq?1Lg、igd?1Lg，电阻压降Rgigd、Rgigq以及还有电网电压usd的影响，因此，我们要实现对d、q轴电流的分量的有效控制，就必须要找到一种能使得d、q轴间的电流分量解除耦合，并且还要消除电网电压扰动影响的控制方法。

为了更好的设计电流的控制器，消除静差，引入了积分环节，

*?'digddigd**?kigp?igd?igd??kigi??igd?igd?dt?Lg?ugd?Lg?dtdt（3-3） ?*digqdi?'gq**u?L?ki?i?ki?igq?dt?Lg???gqgigpgqgqigigq??dtdt?式（3-3）就表示了电流控制器输出的电压，代入式（3-2）中就可以得到网侧PWM变换器输出的电压参考值

*'?u??u?Rgigd?igq?1Lg?usdgdgd?（3-4） ?*'u??ugq?Rgiq?igd?1Lg??gq***式中，igd、igq、u*gd、ugq分别是d、q轴电流、电压的指令值；kigp、kigi分别为电

流控制器的比例、积分系数.

式（3-4）表明，在控制系统中，引入了电流状态反馈量igq?1Lg、igd?1Lg实现了解

1

双馈型风电系统安全运行的研究

耦控制，同时也引入了电网电压的扰动项以及电阻压降Rgigd、Rgigq来进行前馈补偿，从而使得d、q轴电流的完全独立，实现解耦，这样就可以提高系统的动态解耦性能。为了进一步提高系统的抗负载扰动性，在前馈补偿基础上在加上负载前馈补偿项，使得系统更加完美。

把转子侧变换去看成网侧变换器的负载，设计直流环节的电压控制器为

*dVdcdVdc**ic?c?c?kzp(Vdc?Vdc)?kzi?(Vdc?Vdc)dt（3-5）

dtdt*igd??Vdc(iload?ic)（3-6） ugiload?pr（3-7） Vdc*式（3-5）中，kzp、kzi分别为直流电压控制器的比例和积分系数；Vdc为直流电压

的指令值

从以上式可以看出，网侧PWM变流器的解耦控制，是采用电网电压定向的直流电压外环、电流内环的双闭环方式控制，通过对电流状态的反馈来实现d、q轴间电流的解耦控制，电网电压的前馈来实现对电网电压扰动的补偿，负载电流的前馈补偿来实现对负载电流扰动的补偿。电网电压定向的网侧变换器控制框图如图3-1所示。

igqigdej?1Ig?????abc?1Lg?1Lg+*Qg*Vdc++PIigd++++*-Vdc图3-1 电网电压定向的网侧变换器控制框图

3. 2机侧变换器的控制策略

双馈型感应发电机机侧PWM变换器的主要控制目标是：对DFIG定子侧所发出的有功功率、无功功率实现有效的控制。当电网电压正常时，采用传统的矢量控制策略可以满足双馈感应发电机的运行需要。在电网故障或电网电压波动过程中采用传统的双闭环控制方法危害交流励磁变频器的安全运行，在严重时将会导致系统控制失误，所以需要对传统的双闭环控制策略进行改进，进一步考虑DFIG定子励磁电流的动态过程，建立精确模型，对其进行控制。本文主要介绍机侧控制策略的方法有定子电压定向矢量控制、定子磁链定向矢量控制。

34

-Vdcusd-+PI*igqPIPIiload[44-45]

-Us+-QgPLL测得?1v*gqv*g?Saej?1v*g?SVPWMSbSc网侧变流器v*gd-硕士学位论文

由于双馈电机的定子与电网是直接相连接，在电网电压发生故障和扰动时会引起[46]

定子磁链的振荡，这时变换器对电机的控制只有部分作用，又由双馈电机定子电压方程的欠阻尼特性，使得双馈电机对电网电压的变化十分敏感，产生较大的电磁过渡过程[47]，要是严重的话就会使得双馈电机的转子回路过流和过电压[48-49]。

下面分析电网故障时的情况当电网电压发生故障或者扰动时，务必会影响DFIG的动态特性，通过定子励磁电流的变化来影响。定子励磁电流矢量为

Imo??sLm?LsIs?Ir?imod?jimoq （3-8） Lm转子磁链为

LsL2?r??s??LrIr?mImo??LrI（3-9）

LmLsL2??1?m

LsLr将式 代入 就可以得到

dImo?u?RI?L?j?s?sssm?sdt?（3-10） ?2LLdIdI?ur?RrIr??Lrr?j?slip(m?s??LrIr)?mmo?dtLsLsdt?式（3-10）是考虑了定子磁链电流变化的DFIG数学模型，可以用于电网电压变化的情况下，对DFIG风电机组的控制运行的研究。

动态过程中考虑us和?s的动态变化，由式（3-10）可以得到

dImo1?(us?RsIs?j?s?S)（3-11） dtLm将式（3-11）代入转子电压方程中可以得到

ur??LrLLdIr?(RrIr?j?slip?Lr)Ir?j?slipm?s?m(us?RsIs?j?s?S)（3-12） dtLsLs上式是在传统的控制器基础上增加了定子励磁电流变化的补偿量来对解耦电路进一步设计，以[44,50]

至控制模型的精确。

3.2.1 定子电压定向的DFIG控制策略

基于定子电压定向的矢量控制，在电网电压恒定的情况下能够提供良好的动静态性能，但在电网电压跌落情况下，双馈感应发电机简化模型的前提己不再存在，以此为基础导出的定子磁链定向

[51]

矢量控制方案的有效性也会受到影响。所以应依据双馈感应发电机的精确模型，对基于定子电压定向的矢量控制方案进行改进，以提高转子侧变流器对双馈感应发电机转子电流的控制能力，提高整个风力发电机组在电网电压发生小值故障时的不间断运行能力。

考虑暂态下定子电流的变化，转子侧变流器采用了定子电压定向功率外环、电流内环的双闭环矢量控制方式，把定子励磁电流的微分项引入，使得在故障情况下能更准确的控制双馈感应发电机，调节定子侧的有功功率和无功功率。

1

双馈型风电系统安全运行的研究

采用d轴定子电压定向的矢量图如图3-2所示，定子电压定向有usd?us，usq?0，

us?usd?usq?usd?j0，了利用矢量关系可以把式（）变为d、q分量的形式

??urd??Lr???u??Lrqr??dIrdLL?(Rrird??slip?Lrirq??slipm?sq?m(us?Rsisd??s?sq)dtLsLsdIrqdt?(Rrirq??slip?Lrird??slipLmL?sd?m(?Rsisq??s?sd)LsLs（3-13）

在定子电压定向的前提下，有式（2-29）和式（2-31）可以得到DFIG定子输出的有功功率和

无功功率与转子d、q轴电流之间的关系为

3Lm?P??s2LUsird?s（3-14） ??Q??3Us(U??Li)sssmrq?2?sLs?从上式看出，采用定子电压定向时，ird、irq分别表示为有功电流、无功电流分量，那么DFIG的定子输出有功功率和无功功率就分别用转子d、q轴电流来实现独立解耦控制。

q?r?sUs?slip?1d?r?1?r?r?s

图3-2 d轴定子电压定向的矢量图

为了使得系统消除静差，引入了积分环节，即为

?di*dird?u'??Lrd?ki*?i?k?(i*?i)dt??Lrd?rdtirprdrdirirdrdrdt?（3-15） ?*di?dirqrq'?urq??L?k?i*?i??k?(i*?i)dt??L??rdtirp?rqrq?irirqrqrdt????**式中的ird、irq分别是d、q轴的转子电流的指令值；kigp、kigi分别为转子电流控器

的比例、积分系数转子侧PWM变换器所需的输出电压参考值为

36

硕士学位论文

?*?urd?Rrird??slip?Lrirq??slip???u*?Ri???Li??rqrrqsliprrdslip??L2其中，??1?m

LsLr定子励磁电流的微分项为：

Lm'?sq?urd??urd1Ls（3-16） Lm'?sd?urq??urd1Ls???urd1?????u?rq1??Lm(us?Rsisd???1sq)LsLm(Rsisq???1sd)LsUs/?1Lm（3-17）

irq+?sdq?rdqPsQs计算磁链Isdq有功、无功功率P、Q计算图3-3 发电机侧变流器定子电压定向改进的控制框图

根据上面的考虑定子励磁电流动态过程的定子电压定向模型对机侧变流器进行控制，控制框图如图3-3所示，与传统的相比，控制策略中引入了定子磁链电流的微分项作为补偿项。

3.2.2 定子励磁定向的DFIG控制策略

考虑暂态下定子电流的变化，转子侧变流器采用了定子磁链定向功率外环、电流内环的双闭环

[52-53]

矢量控制方式，把定子励磁电流的微分项引入，使得在故障情况下能更准确的控制双馈感应发电机，调节定子侧的有功功率和无功功率。

机端PWM变换器的功率解耦主要是通过d、q轴坐标变换来实现的。按定子磁链定向的方法就是把d轴定向在定子磁链方向如图3-4所示，?sd??s??s，?sq?0

1

--irq*+?urq+PI+Q*-PIPI++-++p*ird*PIurqu?urdird+urdLRrirq??slip?Lrird??slipm?sdLLRrird??slip?Lrirqs??slipm?sqLs*urd*rqej(??r)1?SVPWM转子侧变流器-ej(?1??r)Ir?????abcIrabc?r?dt?sIs??PLLUsabceUsdqj(??r)1?Us?????abcIsabc双馈型风电系统安全运行的研究

q?r?s?s?slip?1d?r?1?r?r?s

图3-4 d轴定子磁链定向的矢量图

dIrdLm?u??L?Ri???Li?(us?Rsisd)rrrdsliprrq?rddtLs??（3-18） dILLrqmm?u??L?Rrirq??slip?Lrird??slip?sd?(usq?Rsisq??s?sd)rqr?dtLsLs?在定子磁链的定向下，DFIG的定子输出的有功功率和无功功率与转子的电流关系为

3Lm?P??s2L?s?sirq?s （3-19） ?2?Q?3?s?sLm(i??s)srd?2LsLm?从上式可以看出，采用定子磁链定向时，无功电流irq和有功电流ird分别可以用来调节DFIG定子输出的有功、无功功率，通过调节q、d的转子电流就可以实现系统的独立解耦控制。

为了使得系统消除静差，引入了积分环节，即为

?di*dird?u'??Lrd?ki*?i?k?(i*?i)dt??Lrd?rdtirprdrdirirdrdrdt? （3-20） ?*di?dirqrq'?urq??L?k?i*?i??k?(i*?i)dt??L??rdtirp?rqrq?irirqrqrdt????**式中的ird、irq分别是d、q轴的转子电流的指令值；kigp、kigi分别为转子电流

控制器的比例、积分系数.

定子磁链的定向时的转子侧PWM变换器输出的电压参考值为

38

硕士学位论文

*'?urd?Rrird??slip?Lrirq?urd??urd2??*Lm'（3-21） u?Ri???Li????u??urrqsliprrdslipsdrqrd2?rqLs?L2其中，??1?m

LsLr定子励磁电流的微分项为：

Lm??u?(usd?Rsisd)?rd2Ls?（3-22） ???u?Lm(u?Ri???)rq2sqssq1sd?Ls?Us/?1LmLRrirq??slip?Lrird??slipm?sqLRrird??slip?Lrisrq*urdirq+?sdq?rdqPsQs计算磁链Isdq有功、无功功率P、Q计算图3-5 发电机侧变流器定子磁链定向改进的控制框图

根据上面的考虑定子励磁电流动态过程的定子磁链定向模型对机侧变流器进行控制，控制框图如图3-5所示，与传统的相比，控制策略中引入了定子磁链电流的微分项作为补偿项

3.3仿真研究

基于定子磁链定向的矢量控制，在电网电压恒定的情况下能够提供良好的动静态性能，但在电网电压跌落情况下，双馈感应发电机简化模型的前提己不再存在，以此为基础导出的定子磁链定向矢量控制方案的有效性也会受到影响。所以

1

--irq*+?urq+PI+Q*-PIPI++-++p*ird*PIurqu?urdird+urd*rqej(?1??r)SVPWM转子侧变流器-ej(?1??r)Ir?????abcIrabc?r?dt?sIs??PLLUsabceUsdqj(??r)1?Us?????abcIsabc双馈型风电系统安全运行的研究

应依据双馈感应发电机的精确模型，对基于定子磁链定向的矢量控制方案进行改进，以提高转子侧变流器对双馈感应发电机转子电流的控制能力，提高整个风力发电机组在电网电压发生小值故障时的不间断运行能力。

在传统控制中则认为定子励磁电流的微分量为零而将其忽略。控制器改进的思路是在原来控制器的基础上，在参考电压生成处加上计及定子励磁电流变化的补偿量—定子励磁电流微分量。图 3-6 是风速13m/s 时，电网电压跌落 至80%，持续时间为 100ms 时，采用改进控制策略与传统控制策略的比较（下标为 1 的是改进控制策略波形）波形依次为发电机定子端线电压、转子侧变流器d轴电压、转子侧变流器q轴电压、转子侧变流器d轴电流、转子侧变流器q轴电流、电磁转矩和直流母线电压。

1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-1.001.950电网电压（kv)-0.752.0002.050t(m/s)2.1002.1502.2002.2502.300

转子侧变流器d 轴电压（kv)1.251.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.001.90传统的改进的2.002.10t(m/s)2.202.302.402.502.60

0.60转子侧变流器q轴电压（kv)0.400.200.00-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00-1.201.902.002.102.202.30传统的改进的t(m/s)2.402.502.60

转子侧变流器d轴电流（kv)0.400.300.200.100.00-0.10-0.20-0.301.902.002.102.202.302.402.502.60传统的改进的t(m/s)

转子侧变流器q轴电流（kv)0.800.700.600.500.400.300.200.101.902.002.102.202.302.402.502.60传统的改进的t(m/s)

40

硕士学位论文

2.202.001.801.601.401.201.000.800.600.400.201.90电磁转矩标幺值传统的改进的2.002.10t(m/s)2.202.302.402.502.60

1.3601.3401.3201.3001.2801.2601.2401.2201.2001.1801.1601.90直流母线电压（kv)传统的改进的2.002.102.202.302.402.502.60t(m/s)图

3-6风速13m/s电网电压跌落至80%产生时传统与改进控制策略仿真对比

由图 3-6(b)(c)可知在改进控制策略下转子电流的波动幅值比传统控制下转子电流波动的幅值小很多，但是在改进控制下的转子输入电压比传统控制的要大一些，这是因为改进控制是在传统控制的基础上加入了计及定子励磁电流分量变化的补偿量，转子电流的有效控制是在增加转子控制电压的基础上实现的。同时通过图 3-6(d)可以看出改进控制方案下，电磁转矩的波动的幅值减小，有效的减小了对风电机组转轴系统机械应力的冲击，这对延长机组转轴系统的工作寿命很有帮助。但在改进控制系统下，不能使转子侧变流器馈入双馈感应发电机的功率减少，所以对直流母线电压的稳定没有太大的贡献。

3.6 本章小结

双馈感应风力发电机的控制主要是由转子侧变流器实施的，其控制性能将直接影响到双馈感应风力发电机的运行。本章首先根据双馈感应风力发电机的数学模型设计了正常运行时的转子侧变流器控制模型，确定了模型中的相关参数，针对电网电压发生小值电压跌落，通过引入定子励磁电流分量，提高转子侧变流器对转子电流的控制能力，减小了在电网电压跌落时转子电流的幅值，提高了双馈感应风力发电机对电网电压发生小值跌落时的适应能力。

1

双馈型风电系统安全运行的研究

第4章电网故障时Crowbar投切时间和阻值确定的研究

针对电网故障的严重程度应采取不同的应对措施。电网故障引起机端电压的小值对称骤降时,应尽量考虑通过改进DFIG的运行控制来实现发电机的不间断运行

[44,54]

。大值电压骤

降故障时,目前有效的办法是采用转子绕组快速短接保护装置(Crowbar)并使转子侧变换器旁路和阻断

[55-57 ]

。文献

[44,58]

对双馈电机传统模型进行了改进,计及定子磁链的暂态过程,

并以此得出新的控制策略。与传统控制策略相比,此法实现了故障过程中对转子电流较好地控制,但故障过程中转子电压波动会比传统方法稍大。文献

[59-60]

推导了DFIG 在并网运行条

件下发生机端三相短路后的定子、转子电流在abc坐标系下的表达式，但其转子电流表达式复杂,对阻值的整定不够准确，对系统有一定的影响。因此，在Crowbar及其低电压穿越技术研究中，如何确定Crowbar电路的阻值，如何控制这种保护装置的投入和切除时刻以保证风电机组安全并协助故障电网恢复时一个关键技术。

因此必须对双馈式风力发电系统的低电压穿越措施进行研究，研究的主要是Crowbar电路阻值的选取和投切时间确定是难点，也是重点。本章以双馈感应发电机组（DFIG）短路过程为基础，确定定子和转子的电流之间的关系，然后再确定Crowbar电路的阻值的选择方法，通过三种方案来研究Crowbar电路投切的时间。

4.1 CroWbar电路的保护原理

[33,60]

在电网电压骤降时，采用电阻短接转子绕组来旁路转子侧变换器，为转子侧电流提供一条通路，即Crowbar电路。按照所用开关元件的不同，Crowbar主要分为主动式和被动式两种。

基于Crowbar的控制策略是较早用于对双馈型风力发电机转子变换器保护的一项控制技术。起初风力发电尚未形成规模之时，风力发电机主要从自我保护的角度应用crowbar保护技术，这一时期所采用的crowbar多为被动式Crowbar，即所谓的“晶闸管”CroWbar。当电网故障发生时，最基本的方法是通过可控硅直接将双馈电机短路，此时双馈电机作为鼠笼式异步电机运行，当电网故障消除时，双馈发电机定子侧脱网，可控硅关断，双馈电机重新并网运行。当采用被动式crowbar时，双馈发电机在电网故障情况下一直以鼠笼式异步发电机的状态运行，需要从电网吸收大量的无功功率。

自2003年德国E．oN公司首次对风力发电提出并网要求以来，传统的风力发电机自我保护式基于晶闸管的被动式Crowbar不再满足电力运行商对风力发电提出的新要求。为了满足电力运行商对风力发电的进一步要求，需要Crowbar电路动作后能在适当的时候断开，从而在风机不脱离电网的情况下转子变换器重新开始工作，于是出现了新型的可以在任意时刻切断转子回路的“主动式Crowbar”保护电路。在主动式Crowbar保护电路中可以采用配有强迫换流功能的SCR以及GTO、IGBT等可关断器件。

42

硕士学位论文

4.2双馈风电机组暂态数学模型

4.2.1 DFIG的数学模型

图2-1为DFIG风力发电系统原理图。DFIG的转子、定子绕组可以看作是三相对称的，所以，在同步旋转dq坐标轴系下，DFIG的数学模型的表达式如下：

电压方程

?usd??usq??urd?u?rq??sd???sq???rd??rq??Rsisd?p?sd??s?sq?Rsisq?p?sq??s?sd?Rrird?p?rd?(?s??r)?rq?Rrirq?p?rq?(?s??r)?rd?Lsisd?Lmird?Lsisq?Lmirq?Lmisd?Lrird?Lmisq?Lrirq （4-2）

（4-1）

磁链方程:

?sd、?sq、?rd、?rq分别为定子和转子磁链的d 轴、q 轴分量；isd、isq、ird、irq分

别为定子和转子电流的d轴、q 轴分量；Lm为dq坐标系中定子与转子同轴等效绕组间的互感；Ls为dq坐标系中定子等效；绕组间的自感；Lr为dq坐标系中转子等效绕组间的自感；

usd、usq、urd、urq分别为定、转子电压的d、q轴分量；Rs、Rr分别为定子绕组和转子绕

组电阻?s、?r分别为定子角速度和转子角速度;p为微分算子；而式中的Lr?Llr?Lm；

Ls?Lls?Lm，Lls、Lm和Llr分别是定子漏感、激磁电感和转子漏感。

假设双馈发电机定、转子侧电压电流正方向按电动机惯例，应用空间矢量法可得矢量形式的DFIG在静止坐标轴系下定、转子电压及磁链的暂态模型

［52,61］

为

?us?Rsis?p?s?j?s?s （4-3） ??ur?Rrir?p?r?j(?s??r)?r??s?Lsis?Lmir （4-4） ???r?Lmis?Lrir其中：us是定子相电压向量；is是定子电流向量；?s是定子磁通向量；?r是转子磁通向量； ir是转子电流向量；ur是转子电压向量；

转矩方程和运动方程 电磁转矩为

Te?npLm(isqird?isdirq)（4-5）

4.2.2 DFIG机端三相短路后的系统特性

[62-64]

机端发生三相对称短路故障时候，在DFIG的转子将会出现最大短路电流。当机端发生三相对称短路后，它的稳态电流分量将会出现衰减，同时，由于本身的励磁不能发生突

1

双馈型风电系统安全运行的研究

变，这样转子侧将会产生很大的暂态感应电流。而这时的故障发生以后的转子侧短路电流就为稳态电流衰减分量和暂态感应出的电流分量的叠加。

为了要研究电网故障下电机的特性，也为了简化分析的过程，假定定子、转子三相绕组对称而且不考虑零轴分量，而且转子侧的参数都已经折算到定子侧，并且各个参数都用标幺值表示；由于兆瓦级发电机的转子、定子的电阻相对来说很小，所以在稳态运行的情况下不计转子、定子的电阻值；由于暂态过程的时间比较短，所以假定在暂态过程中转速保持恒定；由于Crowbar保护电路的投入用的时间比较少，所以可以认为在短路故障发生后立刻投入。

在系统稳态运行时，微分项在DFIG的电压方程中为0，在标幺值下?s?1，转差率

s?(?s??r)/?s?1??r。把式（4-2）代到式（4-1）中就可以得到矢量形式的稳态下的

转子电流的表达式：

ir(0)?ird?jirq?Ls1?[(urd?jurq)?Lm(usd?jusq)] （4-6）

j(LsLr?L2)sm计及磁链瞬态变化并根据式(4-1)和(4-2)得到转子电流与转子电压及定子电流之间的关系：

urd?pLmisd?i??rdpLr?Rr? （4-7） ??i?urq?pLmisqrq?pLr?Rr?将式(4-7)代入式(4-2)得到定子磁链与转子电压及定子电流之间的关系：

?LmpL2murd?(Ls?)isd??sd?pL?RpL?R?rrrr （4-8） ?2???Lmu?(L?pLm)isqrqssq?pLr?RrpLr?Rr?且有?s??sd?j?sq；?r??rd?j?rq 则由式(4-7)和式(4-1)定子电压可以表示为:

???Lmus?(p?j?r)(ur?Lis)?Rsis（4-9）

pLr?Rr?而在稳态运行的情况下，定子电压可表示为：

us?USej?st （4-10）

式中US表示稳态运行时的定子电压幅值。

式（4-3）和式（4-10）相结合，不计定子电阻阻值可以得到定子磁链为：

usUsej?st (4-11) ?s??j?sj?s

44

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假设DFIG在t=0s时,机端发生三相对称短路故障,同时转子保护电路动作，把转子短路。 此时, 定子磁链的瞬时值为:

?s(0)?Us (4-12) j?s对于现在流行的兆瓦级风电机组来说，励磁电感远远大于定子和转子的漏电感，近似有转子电感等于定子电感等于励磁电感，所以定子和转子磁链的模近似相等，对式（4-4）进行取模可以得到

???s?Lsis?Lmir （4-13） ????r?Lmis?Lrir从而可以得到 ?s=

?r （4-14）

Usej(1?s)?st稳态时转子以(1?s)?s转速来旋转，那么稳态时转子磁链的表达式为：?r?

j?s(4-15)

那么就可以知道转子侧链在t=0s时的瞬时值为：

?r(0)?+L1Us (4-16) j?sL2LmL1L2+i(1)s?s'-ir(1)is(2)Lmir(2)?r'L's （a）定子侧等效电路图 (b) 转子侧等效电路图

图4-1短路后定子侧和转子侧等效电路

L'r-

当机端发生短路故障时，DFIG系统一般都会投入Crowbar保护电路将转子短路，目的是达到保护变流器和DFIG系统。而DFIG短路后的暂态感应电流的关系如图4-1所示。图中的

?s'、?r'分别为短路后的定子磁链和转子侧链；is(1)、is(2) 分别为短路后的定子磁链；ir(1)、

ir(2)分别为短路后由定子磁链和转子磁链感应所产生的转子电流的分量。

由图4-1可以得到

LL?'?L?L?2ms1L?L??2m （4-17） ?LL?'1m?Lr?L2?L?L?1m?1

双馈型风电系统安全运行的研究

i(1)r???s'Lm （4-18）

L'sL2?LmL'r （4-19）

i(2)r??r'从上面的式子和图可以得到，定子磁链、转子侧链以及稳态电流在机端短路后

的衰减的时间常数可以表示为：

?L'?T'?s?sR?s （4-20） ??L'?Tr'?rR??r因此在转子定向的坐标系中，机端短路故障后，转子磁链将随时间衰减，转子的磁链可以表示为：

?r'??r(0)e?tTr'Us?Tr'?e （4-21） j?st同时，由于短路故障后，定子磁链的相对于转子来运动，转速为?j(1?s)?s，所以在转子定向的坐标系中，机端短路故障后定子磁链可以表示为：

?s'??s(0)e?j(1?s)?te?tTs'Us?j(1?s)?st?Ts'?ee（4-22） j?st把式（4-18）和式（4-19）相加，并且与式（4-21）和式（4-22）相结合就可以得到机端短路后暂态感应电流的表达式为：

tt?'?'??Us?Lme?j(1?s)?steTreTr????'? （4-23） j??LrL'sLr????ir(1)?ir(2)我们对机侧变换器采用定子电压定向的矢量控制策略, 即有: usd?us?Us，usq?0，us?usd?jusq?usd （4-24）

把式（4-24）代入式（4-6）中，并把它改成极坐标的形式，就可以得到t=0s时的转子侧稳态电流的瞬时值的表达式：

(0)i?i?ji?r0rdrqL22j?t[s(urd?urqe?LU] （4-25）

ms2j(LL?L)ssrm1uqrudr （4-26）

Tr'而式子中 ??arctan在机端发生三相短路后，转子侧的稳态电流就将会衰减，衰减的时间常数为就可以求得短路后的转子侧稳态电流的衰减分量：

，从而

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tTr'(ir')(0)?ir(0)0e? （4-27）

短路后的转子侧的电流就是短路后的暂态感应电流和短路后的转子侧的稳态电流的衰减分量之和，即把式（4-23）和式（4-27）相加就可以求得。因此在转子定向的坐标系中，三相短路后转子电流的表达式为：

ir'?(ir')(0)?ir(1)?ir(2)?L?'22j?ts[(urd?urqe?LU]eTrmsj(LL?L2)ssrm1ttt?'?'??Us?Lme?j(1?s)?steTreTr? （4-28） ???'?j??(L2?Lm)L'sLr????由于电磁暂态过程很短，DFIG 很快转入异步运行状态，故由式(4-7)得转子电流的表达式：

ir??pLmis （4-29）

pLr?Rr由式(4-29)和式（4-28），通过计算的验证，定子和转子侧的短路电流的峰值出现在

T/2 时刻之内，那么短路后转子侧的最大转子电流的估算式为：

Ir.max?ir?T2??LmisLs （4-30）

为得到一个较接近实际的近似结果，可认为转子电流峰值标幺值与定子电流相等。

Ir.max?is （4-30）

考虑到转子的电抗远远大于转子的电阻，所以由（4-9）式就可以近似得到：

.is?usmLs[p?j?r?RsmLs].（4-31）

2式中m?1?LmLrLs为漏感系数。

4.3 Crowbar电路阻值的选取

4.3.1 Crowbar电路阻值的整定

当电网发生短路故障时，Crowbar阻值过小将不能有效抑制转子侧的短路电流，从而可能损坏转子侧变流器；Crowbar阻值过大，可能会导致网侧变流器的直流侧出现过电压，也会损坏网侧变流器。通常，在合理取值范围内，Crowbar阻值越大对转子侧过电流的抑制效果就越明显

[15]

。在故障后期和电压恢复阶段，由于DFIG 异步运行从电网吸收大量无功，

若Crowbar阻值过小，不利于电网电压恢复；另外，在电压恢复时还面临转子电流二次过流的风险，导致相邻风电机组低电压切机。因此，需要根据区域电网特点，选择合适的Crowbar电阻阻值，以防止系统故障时风电场相继切机风险。

电网故障期间, 转子最大电压为:

1

双馈型风电系统安全运行的研究

ur.max?Ir.maxRcrowbar （4-32）

为防止网侧变流器直流侧过电压, Crowbar阻值需满足如下约束条件:

ur.max?ur.limt（4-33）

式中ur.limt为机侧变流器电压极限值（网侧变流器能承受的最大电压）。

为防止转子侧过压，考虑到实际工况要求转子侧变流器电压留有一定安全裕度，设安全裕度系数为?，Crow bar阻值必须满足：

Rx?ur.maxIr.max??ur.limtIr.max （4-34）

由此可得最大Crowbar阻值估算式为:

Rx?ur.limtIr.max（4-35）

4.3.2 Crowbar电路阻值选取的仿真验证

⑴短路电流估算的验证

为验证上面推导结果的正确性，分别对1.5MW、2.0MW的DFIG进行仿真，仿真值与估计值的比较如表1。从该表中可以看出仿真值和估算值的误差都比较小，所以说估算式( 30) 能够比较准确地描述DFIG风电机组机端最大三相短路电流，来反映短路下的暂态情况。

表4-1 转子最大电流仿真和计算结果

机组容量（WM）最大转子电流（标幺值）估算值仿真值8.4458.803误差（%）1.52.0⑵ 1.5 MW DFIG的Crowbar阻值整定

8.558.961.161.78

相对于1.5MW的DFIG系统的网侧变流器而言，实际参数因不同的机组而定。变流器的耐压能力有限，直流侧电压不能超过额定电压的10%～15%。直流侧电压为1200V,DFIG额定电压为690V,有Ur.lim?1200(1?10%)?1.36。Crowbar的投入使得转子侧的电阻发生了变

6902化，Crowbar的阻值的增加，最大转子电流出现的时间也将会提前。对应的时间常数也就发生了相应的变化，式（4-20）就变为：

?L'?T'?s?sR?s （4-36） ?'?L'r?Tr?R?Rx??r对于1.5MW的DFIG系统，为了确定Crowbar的阻值，结合式(4-28)和式(4-30)，通过代入不同的Crowbar阻值，可计算得到不同的最大短路电流

Ir.max及其所对应的出现时间, 再

48

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结合式(4-32)，可得最大转子电压ur.max，计算结果和估算结果。具体的结果如表4-2 所示。 从表2可以看出ur.max与阻值的关系，通过估算结果与仿真结果比较，结果表明转子电压峰值具有单调递增的特性。

表4-2 不同Crowbar 阻值下Ir.max、t和ur.max的仿真结果

Rcrowbarr.max计算值仿真值It(ms)r.max计算值仿真值计算值仿真值u0.150.200.250.300.352.722.582.332.212.082.612.362.192.031.900.4320.4280.5300.5190.5830.5990.6910.6670.7530.7287.887.767.647.527.508.07.87.67.47.2

从表4-22 可以看出: 当电网电压跌落一定值时，随着Crowbar阻值的增大,最大转子电流就逐渐减小, 但转子电压峰值逐渐升高，在保证机侧变流器电压的不超过极限值的前提下, Crowbar的阻值越大,对短路电流的抑制效果越明显；Crowbar的阻值越小，尽管转子电压在它的安全电压范围内，但Crowbar保护的效果就不明显。因此，Crowbar电阻的取值首先必须在转子电流的安全范围内，在考虑限制故障的转子电压，以至才能抑制转子过电流和过电压。而该Crowbar阻值的最大值约为1.05。为验证上述Crowbar阻值整定结果的合理性，对Crowbar投入后的转子侧电流、电压进行仿真，如表2，通过比较，不同Crowbar阻值下各个参数量的变化趋势一致, 计算结果与仿真结果能够相互对应，说明推导结果的正确性。

（3） 不同Crowbar保护阻值对LVRT的影响

假设在3s时机端发生三相短路，经过0.25s时短路故障被切除。而Crowbar保护电路在故障切除以前退出，分别取Rcrowbar?0.81和Rcrowbar?0.7，对应DFIG的转子电流、定子无功1.20 1.00 0.80 0.60 和机端电压的仿真图如图4-2所示。 y0.40 0.20 5.004.00转子电流0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 3.002.001.000.002.50 . . .2.0 2.7533.00.0 3.253.50t(m/s)3.7544.00.0 4.254.504.7555.00.0

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双馈型风电系统安全运行的研究

1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 2定子无功功率10-12.501.20 1.25 2.75Vrms_pu3.003.253.503.75t(m/s)4.004.254.504.755.00 1.001.00 机端电压0.80 0.750.60 0.500.40 0.250.20 0.000.00 2.50 3.00 y (kV)2.502.753.003.25t(m/s)3.50 3.503.754.004.254.504.755.00 4.50 5.00 .. .. ..1.60 1.40 1.20 Ir4.00 (a)Rcrowbar?0.815.004.00转子电流1.00 3.000.80 y2.000.60 0.40 0.20 0.00 1.000.002.502.50 2.753.003.00 3.253.503.50 t(m/s)3.754.004.00 4.254.504.50 4.755.005.00 .. .. ..2定子无功功率10-12.501.20 1.252.75Vrms_pu3.003.253.503.75t(m/s)4.004.254.504.755.00 1.001.00 机端电压0.80 0.750.60 0.500.40 0.250.20 0.000.00 2.50 3.00 y (kV)2.502.753.003.25t(m/s)3.50 3.503.754.004.254.504.755.00 4.50 5.00 ... ... ...4.00 （b）Rcrowbar?0.7 图4-2 不同Crowbar保护阻值下的DFIG转子电流、定子无功功率和机端电压

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