电网故障下双馈风力发电系统控制策略研究（2013年硕士毕业论文）

硕士学位论文

电网故障下双馈风力发电系统控制策略研究

Control Strategy of Doubly-Fed Wind Generation

System for Power Grid Fault

2012年12月

硕士学位论文

摘 要

随着风力发电产业的不断发展，风电机组是否具备低电压穿越能力已成为影响其并网运行的关键因素。本文围绕双馈风电机组的低电压穿越能力，针对电网故障情况下双馈风力发电系统的控制策略展开研究，完成的主要工作和取得的成果如下：

（1）建立了双馈风力发电机转子侧和网侧变换器在dq同步旋转坐标系下的数学模型，分析了基于定子（电网）电压定向的转子侧和网侧变换器矢量控制策略，实现了定子输出有功和无功功率的解耦控制，保证了直流母线电压的稳定。

（2）分析了电网电压跌落时双馈风力发电机定子磁链暂态变化过程，找到转子过电压、过电流的根本原因。基于Matlab/Simulink仿真软件建立了完整的双馈风力发电系统的仿真模型，并对电网电压跌落故障情况下双馈风力发电机的运行特性进行了仿真分析，分析结果表明必须采取相应的措施来提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。

（3）建立了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的双馈风力发电机的精确数学模型，在该模型的基础上，提出了电网电压跌落时双馈风力发电系统的低电压穿越控制策略，包括转子侧和网侧控制策略。其中转子侧变换器低电压穿越控制策略在电网故障时能消除定子磁链直流分量及负序分量；网侧变换器低电压穿越控制策略是基于网侧变换器输入功率与输出功率平衡而提出的，在电网故障时能及时跟踪转子侧输入瞬时功率的变化，将直流母线电压的波动限制在一定范围内。实验结果验证了所提出的控制策略在电网电压跌落时，能够抑制双馈风力发电机的定、转子过电流和直流母线电压的波动，提高了双馈风力发电机低电压穿越能力。

关键词：风力发电；双馈风力发电机；低电压穿越；电网故障；控制策略

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Abstract

With the continuous development of the wind power industry, the capability that whether can wind turbine low voltage ride through or not has become the key impact when connected to the grid operation. This paper focuses on the low voltage ride through capability of the doubly-fed wind generation and does a research on control strategy of doubly-fed wind generation system for power grid fault, the main work done and results achieved is as follows:

(1) This paper established the mathematical models of the DFIG rotor side converter and the grid side converter in the d-q synchronous rotational reference frame. The stator (grid) voltage oriented vector control technology is used on the rotor side converter and the grid side converter to achieve decoupling control of active power and reactive power, and maintaining the DC link voltage constant.

(2) The analysis of DFIG stator flux transient period under the grid voltage dip is researched, the cause of stator and rotor overcurrent are found. The complete simulation model of DFIG has been established based on the Matlab/Simulink simulation software, the simulation result of operation performance of DFIG under grid voltage dip shows that the LVRT ability must be enhanced to protect DFIG.

(3) This paper established the precise mathematical model of DFIG that the stator excitation current is considered in the synchronous rotational reference frame. The LVRT control strategy of DFIG during grid voltage dip is proposed on the basis of the precise model, including rotor side converter controller and grid side converter controller. This paper proposed a RSC LVRT control method by reducing the DC flux and negative flux; the GSC LVRT control method is proposed based on the GSC input and output power balance, can timely track rotor side input instantaneous power under power grid fault and limit the DC bus voltage. The experimental results prove that the mentioned control method prevents the stator and rotor overcurrent and DC bus overvoltage, improves the DFIG LVRT ability under grid voltage dip.

Keywords: wind power；doubly-fed wind generation；low voltage ride through；power grid fault；control strategy

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目 录

摘 要 ......................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................... II 第1章 绪 论 .................................................................................................. 1

1.1 选题背景及意义 ................................................................................... 1 1.2 风力发电技术的研究现状 .................................................................... 1 1.2.1 双馈风力发电系统的变换器结构 ............................................................. 3 1.2.2 双馈风力发电系统的变流控制策略 ......................................................... 4 1.3 双馈风力发电系统低电压穿越技术的研究 .......................................... 6 1.3.1 低电压穿越技术的相关规定 ..................................................................... 6 1.3.2 低电压穿越技术的研究现状 ..................................................................... 8 1.4 论文主要内容 ..................................................................................... 10 第2章 双馈风力发电系统基本理论 ............................................................ 11

2.1 双馈风力发电系统的运行原理和功率特性 ........................................ 12 2.1.1 双馈风力发电系统的运行原理 ............................................................... 12 2.1.2 双馈风力发电系统的功率特性 ............................................................... 13 2.2 风力机特性 ........................................................................................ 14 2.3 机械传动轴系的数学模型 .................................................................. 16 2.4 转子侧变换器的建模与控制 .............................................................. 16 2.4.1 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型 .................................................... 16 2.4.2 传统的转子侧变换器控制策略 ............................................................... 18 2.5 网侧变换器的建模与控制 .................................................................. 20 2.5.1 网侧变换器的数学模型 ........................................................................... 20 2.5.2 传统的网侧变换器控制策略 ................................................................... 21 2.6 本章小结 ............................................................................................ 23 第3章 电网电压跌落时DFIG的运行特性 .................................................. 24

3.1 定子磁链动态过程分析 ...................................................................... 24 3.2 转子绕组动态过程分析 ...................................................................... 26 3.3 电压跌落时DFIG的动态响应 ............................................................ 27 3.4 本章小结 ............................................................................................ 31 第4章 双馈风电机组低电压穿越控制策略 ................................................. 32

4.1 电网故障时转子侧变换器的控制策略 ............................................... 32

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4.2 电网故障时网侧变换器的控制策略 ................................................... 35 4.3 仿真分析 ............................................................................................ 37 4.4 本章小结 ............................................................................................ 40 第5章 结论与展望 ...................................................................................... 41

5.1 结论 ................................................................................................... 41 5.2 展望 ................................................................................................... 41 参考文献 ....................................................................................................... 43 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 ............................................ 46 致 谢 ........................................................................................................... 47

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

伴随着工业的发展，人类对于能源的需求量也日益增长，其中对化石能源（煤、石油、天然气等）的运用则最为广泛，然而，一方面化石能源不可再生，在人类大量的采掘下正在不断枯竭，另一方面由于大量的无休止的化石能源的使用，使得地球上的生态环境正在持续恶化，为了解决能源短缺和环境污染问题，必须大力提倡低碳生活，用可再生的新能源代替现在大量使用的不可再生的化石能源。

从七十年代开始，各国政府和国际组织不断投入了大量的资金和人力用于研究可再生新能源。可再生新能源主要包括太阳能、风能、海洋能和地热能等等，这些能源都是清洁并且没有污染的新型能源、可以反复使用，而且在解决能源短缺和环境污染等问题上都有着优异的表现，是社会健康可持续发展的重要组成部分。可再生新能源的研究已经成为一个世界性的重要课题。

相比于太阳能、核能等新能源发电，风力发电技术是目前发展较成熟、应用前景较好的一种发电方式。风力发电具有以下优点：建设周期较短、安装机组的规模较为灵活多变、运行和维护成本较低、占地面积较小、清洁无污染并且不消耗化石燃料等。正是由于风力发电具有这些优点才使得风力发电技术在全世界范围内得到了迅猛的发展[1, 2]。

风力发电虽然清洁环保，但具有发电波动性、随机性、间歇性等缺点，不同于水电、火电等常规发电方式的稳定性和可预测性，风能的随机性和不可预测性使得电力系统接入风电后的运行调度更加困难，这给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战[3]。另外，从电网安全的角度考虑，当电网发生故障时，传统上采取风力发电机组自动解列的方式来保护自身发电设备的安全。虽然这种传统的方法保护了发电设备，但一有故障便采取自动解列的措施，将会使大电网故障加剧，甚至可能导致电网瘫痪，对电网的安全稳定运行造成严重影响。那么如何提高风力发电机组的安全可靠性，把在并入电网时的影响降低到最小，是将来风力发电大规模发展应用的关键。

1.2 风力发电技术的研究现状

从发电机的运行和控制方式来讲，我们可以把风力发电系统分为恒速恒频(CSCF)风力发电系统和变速恒频(VSCF)风力发电系统这两大类。

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当风电机组并网运行时，发电机组的电能频率和电网必须是相同的，即保持恒频。CSCF风电系统就是不管外界风速如何变化，始终保持发电机的转子转速恒定不变，从而达到“恒频”。由于风速变化时，发电机的转速不变，风能利用系数通常无法维持在最佳值，同样也就无法实现最大功率点跟踪，风能利用率也就低。此外，对刚性连接的恒速恒频风力发电系统来说，一旦风速发生突变，风能将在机组的机械传动构件（例如齿轮箱）上产生很大的机械应力，而上述过程的反复则会导致该构件的疲劳损坏、使用寿命的缩短，还可能影响电力系统的稳定性[4]。上世纪八十~九十年代的丹麦广泛采用了这种恒速恒频风电技术，我国六百千瓦、七百五十千瓦等风电机组也都采用这种恒速恒频风电技术[5]。

当风电机组采用变速运行方式时，发电机转子的角速度是随风速而变的，同时通过一定的手段来限制电能频率的输出，从而达到“恒频”。由于发电机转子的角速度是随风速而变的，故风能利用系数能维持在最佳值，从而能实现最大功率点跟踪，提高风能利用率。当风速升高时，部分风能被风轮所吸收，作为机械能（动能）储存起来（表现为风轮转速上升），减小了机组传动链上的疲劳负载，提高了传动系统的柔性，从而避免了机组的机械传动构件（例如齿轮箱）上产生过大的机械应力。在风速下降后，经电子设备调节控制，再将风轮所存储的机械能（动能）转换为电能送入电网（表现为风轮转速下降）。实际中风速是频繁的、随机性突变的，而风轮转速的上升、下降则起到了一定的缓冲作用，使机组内部的能量传输部件所承的应力相对平缓，避免产生破坏性机械应力。这样风电机组运行时的平稳性和安全性就大大提高了[4]。

VSCF风电系统最主要的优点是发电机可以变速运行，其转速的调整是通过变换器调节发电机的转子励磁电流来实现的。另一方面，转速的调整还可通过改变桨距角调节风力机的转速来实现。与定桨距机组相比较，变桨距机组最大的优点是启动特性比较好，输出功率稳定性比较好且桨叶受力比较小。同时，在风速超出切出风速的时候，还可由调节桨距角来避免风力机受损，从而增加风力机的寿命。正是由于VSCF风电系统具备以上的优点，使其在风电领域得到了广泛的应用。

VSCF风电系统依据所使用的功率变换器相对于发电机额定功率的大小不同可以分为全功率变换器系统以及部分功率变换器系统，若依据发电机与风力机之间机械传动系统不同又可以分为变速齿轮箱系统和无齿轮箱直驱系统，若依据所采用的发电机类型不同又可以分为异步发电机风电系统、交流励磁双馈发电机风电系统、无刷双馈发电机风电系统、永磁直驱型同步发电机风电系统以及开关磁阻发电机风电系统等等[6-9]。

在各种类型的VSCF风电系统之中，双馈风力发电机(DFIG)风电系统具有其

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独特的优点：调速范围比较宽，有功及无功功率可进行解耦控制，所需励磁变换器容量比较小以及能实现安全、快速地柔性并网等。正是由于这些独特的优点和相对成熟的技术使得双馈风力发电机组成为当今世界主流的风电机组产品，市场反响普遍良好[10, 11]。

1.2.1 双馈风力发电系统的变换器结构

变换器在双馈风力发电系统中是一个非常关键的组成部分。DFIG交流励磁变换器的特点是必须保证双馈发电机在转子转速运行范围内，能量可以双向流动。同时系统要求励磁变换器产生的谐波污染较小，输入和输出性能良好，开关的损耗较小，甚至还要具备在尽量不吸收电网无功功率的条件下同时产生无功功率的能力[12, 13]。

目前市场上广泛应用的DFIG励磁变换器主要有如下几种： （1）交-交变换器[14]

交-交变换器是一种由反向并联的晶闸管相控整流电子回路组成，把电网交流电直接变换成一种电压、频率均可调节的交流电的变频电子回路。这种变换器虽然功率可双向流动，但是由于采用晶闸管自然换流方式，故而功率因数低，低次谐波含量大，输入、输出特性不理想。一般这种由36管6脉波三相桥式电路所组成的交-交变换器由于输入的功率因数比较低，而且在输出电压中低次谐波的含量很大，所以对发电机组和电网均会造成严重的谐波污染及不良效应，并不适合在风力发电领域进行广泛应用。

（2）矩阵式交-交变换器[15, 16]

矩阵变换器(MC, Matrix Converter)是近些年来才出现的一种新型交-交变频器，主要由9个双向的开关构成。和传统意义上的交-直-交变换器或者交-交变换器不同，矩阵式交-交变换器具有很多优点：输入输出性能良好，输入功率因数可随意调节，输出电压是由电源的3个电平组成，一定程度上降低了谐波含量；能量可以双向流动，略去变换器中原有的直流电容储能环节，缩减了变换器所占的空间并提高了变频效率和寿命。但目前仍存在很多问题：目前双向导通开关器件尚无商品化，只能通过单相开关器件反并联方式获得，这使得电路结构更加复杂，成本更高；略去了直流电容储能环节的矩阵变换器将输入和输出进行直接耦合，所以电网的故障运行状态（如电网电压的不平衡等）会很容易对双馈发电机的控制造成影响，同时矩阵变换器在电网故障下的保护仍然存在问题，因此其在双馈风电系统中的应用程度还远远不够完善，目前正处在研发的阶段。

（3）双PWM变换器[17-19]

目前较为常用的DFIG励磁变换器为背靠背(Back-to-Back)电压源双PWM变

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换器。如图1-1所示，这种双PWM变换器主要由两个结构完全对称的转子侧PWM变换器和网侧PWM变换器背靠着背构成，中间则是采用了一个能够稳定直流侧电压的电容。转子侧和网侧PWM变换器的控制系统和功用均是相对分离的两部分。转子侧PWM变换器主要是向双馈发电机中的转子绕组提供相应的励磁电流，从而实现发电机变速恒频运行、最大功率点跟踪以及定子输出有功功率和无功功率的解耦控制；网侧PWM变换器的功能主要体现在保证能量可以双向流动与直流母线电压的恒定不变，并且可以调整网侧的功率因数。

网侧PWM变换器转子侧PWM变换器电网?VdcDFIG?

图 1-1双PWM变换器电路结构示意图

当双馈发电机进入欠同步速的运行状态时，功率是由电网向电机传输的，这个时候，网侧变换器作为整流器使用，转子侧变换器作为逆变器使用；而当双馈发电机进入超同步速的运行状态时，情况正好相反，功率改由发电机向电网传输，这个时候，网侧变换器变作逆变器使用，转子侧变换器变作整流器使用。双PWM变换器实际上是一个交、直流侧均可控的四象限运行变换器，既可工作于整流状态，又可工作于逆变状态，其网侧电流和功率因数均是可控的。

综上所述，双PWM变换器正是因其简单的结构、良好的控制性能、可靠成熟的技术以及较为低额的成本，成为了如今市场上DFIG励磁变换器的优选方案之一。

（4）其他变换器

除了以上3种较为常用的励磁变换器外，还有多电平变换器、交-直-交型电流源和电压源并联变换器、普通钳位谐振变换器等。此处不做详细介绍了。

1.2.2 双馈风力发电系统的变流控制策略

双馈风力发电机性能好坏的关键在于其控制系统，因此如何制定双馈风力发电机的控制策略显得尤为重要。其控制策略概括起来主要有：矢量控制策略(VC)、直接功率控制策略(DPC)、直接转矩控制策略(DTC)、多标量控制策略等，另外还有电网故障情况下双馈风力发电机低电压穿越(LVRT)控制策略和电网电压不平

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衡控制策略等等。

（1）矢量控制策略

为了简化双馈电机较为复杂的控制系统，我们通常会将矢量控制策略应用到双馈风电系统的运行控制当中。矢量控制是通过一系列的坐标变换将原来较为复杂的三相坐标系下的DFIG数学模型等效为同步旋转d-q坐标下的DFIG数学模型，从而完成对DFIG转矩电流和励磁电流分量（有功和无功功率）的独立控制。为了进一步简化d-q坐标系下DFIG数学模型，通常需要进行矢量定向，即将坐标系按照DFIG的某个矢量进行定向。在双馈风力发电机中可供选择的定向矢量主要有定子磁链、转子磁链、定子电压、气隙磁链等等。在选定合适的定向矢量后，一般通过转子电流的dq轴分量分别对DFIG电磁转矩和无功功率（有功功率和功率因数）进行独立的控制。

文献[20-22]建立了基于定子磁链定向的DFIG数学模型，根据该数学模型推导出了利用转子电流的dq分量分别独立控制有功和无功功率的矢量控制策略，并构建了由转速（功率）外环和电流内环共同组成的双闭环结构控制系统，该系统能够实现最大功率点跟踪及有功功率、无功功率的解耦控制。

文献[23]提出一种基于定子电压定向的双馈风力发电机输出功率的矢量控制策略。该控制策略不需要测量定子磁链，使得控制系统得到了大大的简化并可以实现有功、无功功率的独立控制。

一般情况下的矢量控制方案往往会采用PI调节控制器来实现DFIG的励磁控制，这种方法的缺点是响应速度比较慢且很难做到精确的解耦控制，文献[24]采用矢量控制与变结构控制相结合的控制方案，这种控制方案不但能够实现DFIG有功功率、无功功率的解耦控制而且比一般的矢量控制结合PI控制的方法具有更加良好的动态响应特性。

矢量控制是一种实现起来较为容易的控制策略，这种策略相对于其它控制策略而言具有较强的鲁棒性，当使用定子电压定向时也较为容易获得电压矢量角。这种策略在目前的双馈发电机控制系统中得到了较为广泛的应用，在很多地方都有着出色的表现。

（2）直接转矩控制(DTC)

直接转矩控制和矢量控制有很多不同的地方，直接转矩控制不用进行复杂的坐标变换、不用进行有功功率和无功功率的解耦。它的原理是检测发电机定子电压和电流并利用空间矢量工具计算出转子磁链从而控制发电机的电磁转矩，最后将其与给定值相比较，得到一个误差，根据这个误差去实现转速控制。直接转矩控制的缺点是转子磁链估计值和参考值的精度会受到双馈发电机参数变化的影响。二十多年来，直接转矩控制方法得到了较为深入的研究，尤其在笼型异步电

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机控制系统中的应用取得了很大的进展，同时，直接转矩控制方法的控制性能也有所改进。但关于直接转矩控制技术在双馈发电机控制系统中的应用技术还不成熟，需要进行进一步的研究。

（3）直接功率控制(DPC)[25]

直接转矩控制和直接功率控制仅在控制方法上有着些许不同：直接转矩控制技术是通过改变电磁转矩来实现对被控对象发电机转速的调节，而直接功率控制技术则是通过改变转子电压矢量来直接调节定子有功和无功功率，从而对有功和无功功率进行相对独立的调整。

双馈发电机的直接转矩控制和直接功率控制与笼型异步电机的直接转矩控制一样具有较快的动态响应。

1.3 双馈风力发电系统低电压穿越技术的研究

低电压穿越(LVRT, Low Voltage Ride-Through)指的是：当电网发生故障导致风电场并网点电压跌落时，在电压跌落的某一特定范围和时间段内，风电机组能够保持不间断并网运行，同时可以向电网提供一定的无功功率，以帮助电网电压的恢复[26]。

由电网故障引起的电压跌落是最为常见的一种电网故障，分为单相、两相接地短路故障、两相相间短路故障和三相短路故障等等；按照故障后三相电压是否对称还可分为对称和不对称短路故障，除了三相对称短路外其他所有的故障均为不对称故障。

以往，风电容量占电网总容量的比重是很小的，一旦电网电压发生骤降，风电机组通常会自动脱网以保护自身的安全，这在电网中风电机组比重不高的情况下是允许的。近年来，风电容量占据电网的比重不断增大会对风电并网后的电网造成很大的负面影响。若风电机组在电网电压骤降时仍采取被动保护式解列，那么风力发电机组的脱网将会恶化电网故障，严重影响电网稳定性和安全性。

1.3.1 低电压穿越技术的相关规定

针对上述问题，世界各国相继对风电场的并网制定了新的规定，要求风电机组在电网电压发生跌落后，要维持一段时间内不脱网连续运行，并且在电网故障切除后，要能够尽快帮助电网电压的恢复，也就是要求并网运行的风力发电机组在电压跌落时具有低电压穿越的功能[27]。我国的《风电场接入电网技术规定》对并网运行的风力发电机组作出了详细的技术规定[28]。

（1）对发电机组低电压穿越的基本要求：

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图1-2为我国国家标准规定并网运行的风力发电机组低电压穿越的基本要求，具体如下：

1）当风力发电机组并入电网的接点电压（并网点电压）跌落到额定电压的20％时，机组能够不脱网连续工作625ms；

2）当风力发电机组并入电网的接点电压在跌落后2s内能够升高到额定电压的90％时，机组能够不脱网连续工作。

电网故障引起电压跌落10.9并网点电压(pu)0.60.40.20-10要求风电机组不脱网连续运行风电机组可以从电网切除0.6251时间(s)23

图1-2国家标准规定风力发电机组低压穿越的基本要求

（2）对风力发电机组有功恢复的要求：

对于那些在电网故障期间还没有从电网中断开的风力发电场而言，其有功功率应从故障清除那一刻开始以较快的功率变化速率（至少每秒10％额定功率）恢复到故障以前的值。

（3）对风力发电场动态无功支持的要求：

对于总装机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群而言，每个风电场在因电力系统发生三相对称短路故障引起的电压跌落过程中应具有以下动态无功支撑能力：

1）风力发电场在并网点电压处于20％～90％的额定电压之间时应能够通过注入无功电流来支撑电压恢复；从并网点电压开始跌落的那一刻起，无功电流控制的响应时间小于或等于75ms，持续时间应大于或等于550ms。

2）风力发电场注进电力系统的动态无功电流：

IT?1.5?(0.9?UT)IN????(0.2?UT?0.9) (1-1)

其中：UT为风力发电场并入电网的接点电压的标幺值；IN为风力发电场的额定电流。

现如今风力发电机组不具有LVRT能力已经成为限制其并入电网运行的重要

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原因。因此，急需可靠并且经济的改善措施来提高风力发电机组LVRT能力，特别是对于那些已经并入电网的不具有LVRT能力的风力发电机组来说这种需求更加迫切。

1.3.2 低电压穿越技术的研究现状

双馈风力发电系统中发电机定子与电网直接耦合的这种结构不能分离发电机与电网之间的联系，电网一旦出现故障就会直接影响DFIG自身的运行状态；另一方面相对较小的双馈风力发电机转子变换器容量使得其承受过电流和过电压的能力有限。因此，相比于全功率变换器风电系统，双馈风电系统对电网故障更加敏感，对过流和过压的承受能力也更差。

双馈电机的定子绕组在电网电压骤降时会产生较大的冲击电流，由于定、转子之间的电磁耦合关系，使得转子绕组中也感应出过电流和过电压。转子绕组中产生的故障电流流经直流母线电容，将导致直流母线电压的升高或降低[29]。因此，提高DFIG风电机组低电压穿越能力的关键是如何限制转子过电流和直流母线电压的波动以及如何尽快的恢复电网电压。

目前，归纳起来，被大量研究和广泛应用的双馈风电系统低电压穿越技术主要有两大类：一类是增加额外的硬件保护设备，例如转子撬棒电路(Crowbar Protection)和直流卸荷电路；另一类是在电网电压跌落期间采取相应的LVRT控制策略，即改进转子励磁变换器的控制策略。

（1）转子撬棒电路

这是目前应用较为广泛的一种实现低电压穿越的方法，该方法的原理是在发电机转子与转子侧变换器之间加装急速短接保护装置[30, 31]。当电网发生故障导致转子过压或过流时，Crowbar保护电路动作，利用保护电路中的电阻来短接转子绕组并将转子侧变换器旁路，同时通过此电阻限制转子过电流，以达到保障电力电子设备安全运行及发电机组连续不断运行的目的。而当电网故障清除时，切除Crowbar保护电路，启动转子侧变换器，双馈发电机重新进入正常运行状态。

该方法简单有效，容易实现，可以保证双馈风电机组在电网发生故障时的安全。但是在电网发生故障时该方法使得转子侧变换器被旁路掉了，这时双馈发电机就等效为一台鼠笼式异步发电机，会从电网中吸收无功功率，这将不利于电网电压的恢复，一般只在大值电压跌落时才会使用这种Crowbar保护电路。

（2）直流卸荷电路

直流卸荷电路的原理是在电网故障时采用电阻将转子侧过剩的能量吸收，以此防止直流母线电压过高。直流卸荷电路可以将直流母线电压控制在某一数值之下，但是对于电网故障引起的直流母线电压降低则不起作用[32]。

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（3）低电压穿越控制策略

从降低电力电子设备成本的角度来考虑，实现LVRT最好的方法不是增加硬件保护设备，而是采取相应的LVRT控制策略（在电网电压跌落时改进双馈风力发电机组的控制策略），保证在电网电压跌落时变换器安全运行及风电机组并网连续运行。

目前双馈风力发电机组变速恒频运行主要是通过对转子侧变换器采用dq轴解耦的定子磁场或定子电压定向矢量控制来实现的。然而采用这些传统的定向矢量控制方式的前提都是假定电网理想且没有任何故障，那么在实际的电网扰动情况下、尤其是在电网不对称故障、对称故障时将丢失定向标准、影响风力发电机组优良的控制性能。

在电网故障导致双馈发电机定子端电压骤降时，发电机定子磁链会出现直流分量，电网发生不对称故障时还会出现定子磁链的负序分量。因此，可以针对电网故障期间定子磁链出现的直流分量和负序分量来制定灭磁控制策略。文献[33]提出一种通过控制发电机漏磁链来抵消定子磁链直流分量对转子侧影响的改进的励磁控制策略，该策略同时结合定子侧电阻对发电机进行灭磁，并采用了合适的励磁控制方案来限制转子过压和过流，能够实现电网电压骤降故障下DFIG不脱网连续运行。

发电机的输出功率在电网电压发生跌落时会快速减小，若不调节其输入的机械功率，肯定会导致发电机转子转速上升。在输入机械转矩比较大时（风速比较大时），即使电网故障切除，也很难做到快速抑制发电机转速的升高，这样发电机从电网吸收更多的无功，致使定子电压下降，会进一步妨碍电网电压恢复，甚至可能导致系统崩溃。文献[34]采用变桨控制方法来快速调节风力机捕获的功率，也就是通过调节桨距角来减少风力机吸收的风能，进而减小发电机的输入机械转矩，限制其转子转速的升高，减少双馈发电机从电网吸收的无功，帮助电网电压恢复，但是这篇文献没有考虑到转子侧变换器的励磁控制作用在电网电压跌落时的应用。

改进的励磁控制策略不需要增加任何硬件保护设备，降低了设备成本，但是双馈发电机转子励磁变换器的容量往往限制了他的控制效果，因而改进的控制策略在一些故障较为严重的情况下不能实现LVRT运行，受到可行性区域的限制。

综上所述，根据电网电压跌落的轻重程度不同应当采用不同的保护措施和控制策略：在电网电压小幅骤降时，应该尽可能去改进DFIG系统的运行控制策略来达到低电压穿越的目的；而在电网电压大幅骤降时，应通过增加一定的硬件保护设备来限制转子过电流和直流母线电压的波动。

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1.4 论文主要内容

电网稳态条件下的DFIG系统变换器控制策略的研究已比较成熟，但电网故障下的DFIG系统变换器控制策略仍需要进一步研究。本文在分析电网故障情况下DFIG动态运行特性的基础上，提出了电网电压跌落时DFIG低电压穿越的控制策略（改进的变换器控制策略），并与DFIG系统中传统的变换器控制策略进行了对比分析。本文主要内容包括：

（1）简单叙述了课题的研究背景及意义，介绍了风力发电技术的研究现状和风电场低电压穿越技术的相关规定。最后总结了提高DFIG系统低电压穿越的各种措施，其中包括两大类方法：增加硬件保护设备和采用相应的低电压穿越控制策略，并分析了它们的原理和各自的优缺点。

（2）主要分析了双馈风力发电系统的运行原理和功率特性，建立了双馈风电机组的数学模型，在此模型基础上，推导出了基于定子（电网）电压定向的传统的变换器矢量控制策略，从而实现了双馈风电机组变速恒频运行及有功和无功功率的解耦控制。

（3）深入分析了电网故障时双馈发电机暂态变化过程，对其定子磁链、转子电压、转子电流等进行了详细分析，找出了电网故障时DFIG转子过电压和过电流的根本原因，最后通过Matlab/Simulink仿真软件对双馈风力发电系统进行了电网电压跌落故障下的仿真，并对其仿真结果进行了分析。

（4）建立了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的DFIG精确数学模型，在该精确模型的基础上，提出了电网电压跌落下转子侧变换器和网侧变换器的低电压穿越控制策略，最后通过Matlab/Simulink仿真软件对所研究的变换器低电压穿越控制策略进行了仿真实验，并与传统的变换器控制策略的仿真结果进行了对比分析，验证了本文所提出的控制策略的优越性。

（5）对本文的研究内容进行了总结和展望，指出研究中的一些不足之处和下一步要研究的内容。

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第2章 双馈风力发电系统基本理论

与绕线式异步电机的基本结构类似，双馈风力发电机包含了定子和转子两套三相绕组。其中定子直接连入电网并一直向电网传输功率，而转子则通过励磁变频器与电网间接相连并向电网传输功率或从电网吸收功率，这样就在转子回路上形成了双向流动的功率通道，因此取名为双馈发电机。

双馈风力发电机的本质上是具有同步发电机外部特征的异步发电机。若按照电机的转子转速是否等于同步速来分类的话，双馈风力发电机显然属于异步发电机。若从外部特性来看，双馈风力发电机与同步发电机非常类似，所以双馈风力发电机又被称为异步化的同步发电机。

双馈风力发电机和同步发电机的根本不同点在于前者的转子绕组结构为三相交流绕组，而后者的转子绕组结构为单相直流绕组。所以它们的励磁系统的构成及控制方式也就不一样。同步发电机使用直流励磁，其励磁可调节量只有一个励磁电流幅值，因此同步发电机通常只可以对无功功率进行调节；而双馈风力发电机使用交流励磁，除了可以调节励磁电流的幅值外，还可以调节励磁电流的频率和相位。双馈风力发电机通过改变转子励磁电流的幅值来调节发电机的无功功率；通过改变转子励磁电流的频率来调节发电机的转子转速，以实现发电机变速恒频运行；通过改变转子励磁电流的相位来调节发电机的功率角。所以通过调节双馈风力发电机转子励磁电流，既可以调节无功功率，又可以调节转子转速和有功功率。因此，总的来说，双馈风力发电机与同步发电机相比在控制上表现得更加灵活多变。

双馈风力发电机对于转子励磁电流的控制是由其双PWM变换器来完成的，其转差功率决定了该变换器容量的大小。由于DFIG变速恒频控制方法是在发电机的转子回路上实现的，该转子回路上流过由DFIG转速运行范围（该范围与变换器设计有关）所决定的转差功率只有发电机额定功率的30％左右。因此，与全额定功率变换器相比较，双馈风力发电机的变换器功率仅为发电机额定功率的一小部分，这在很大程度上减小了变换器的体积、重量和成本。

基于双馈风力发电机的诸多优点，本文选用双馈风力发电机为研究对象，本章主要对双馈风力发电系统的基本运行原理、功率特性、数学建模及变换器控制策略进行简单介绍。

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2.1 双馈风力发电系统的运行原理和功率特性

2.1.1 双馈风力发电系统的运行原理

电网变压器DFIG齿轮箱风力机?电抗器?Vdc转子侧PWM变换器网侧PWM变换器

图2-1 交流励磁双馈风力发电系统结构框图

交流励磁双馈风力发电系统主要由风力机、变速齿轮箱（升速齿轮箱）、双馈风力发电机以及双PWM变换器（包括转子侧变换器和网侧变换器）等这些部件构成，其结构如图2-1所示[35]。风力机通过变速齿轮箱来使发电机的转子转动并将捕获的风能转换为机械能，然后通过双馈发电机转换为电能，与转子相连的双PWM变换器则依据转子转速的变化来相应地调节转子励磁电流频率可以实现DFIG变速恒频运行。

由电机学知识可知，任何电机在稳定运行时，定、转子旋转磁场都是相对静止、同步旋转的，因此当双馈风力发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场也是相对静止，即：

n1?n2?nr (2-1)

n1np60又由于f1?，f2?n2np60，式(2-1)可以写成：

f1?f2?nrnp60 (2-2)

式中：n1为定子旋转磁场的转速，也就是同步转速；n2为转子旋转磁场相对于转子的转速；nr为转子的机械转速，r/min；np为电机极对数；f1为定子电流的频率（也就是电网的频率），Hz；f2为转子电流的频率，Hz；由于f2=sf1，故f2也称

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为转差频率，其中s为转差率，s??n1?nr?n1。

由式(2-2)可知，当发电机转子的机械转速nr随着风速变化而发生变化时，若相应地改变转子励磁电流频率f2就可以保持定子输出电流频率f1与电网频率始终一样，从而实现DFIG变速恒频控制。

2.1.2 双馈风力发电系统的功率特性

根据电机学知识可知，双馈风电系统把机械能转变成电能的过程可由图2-2所示的功率流动示意图来表示，图中Pr?0。

Pr 转子输入功率转子铜耗PcurPS定子输出功率Pe电磁功率Pm输入净机械功率铁耗PFePcus定子铜耗

图2-2稳定运行状态下的功率流动示意图

实际上，双馈发电机转子转轴上输入的净机械功率为风力机输出的机械功率减去齿轮箱功率损耗，一般情况下忽略该损耗，发电机输入的净机械功率就等于风力机输出的机械功率Pm。

发电机输入的净机械功率Pm加上转子绕组吸收的有功功率Pr，在减去转子铜耗Pcur之后就得到一个电磁功率Pe，即表示为：

Pe?Pm?Pr?PCur (2-3)

由双馈发电机在稳定运行状态下的等效电路图可知[36]：

Pr?PCur?sPe (2-4) Pm?(1?s)Pe (2-5)

以上所述的电磁功率Pe从转子侧通过气隙旋转磁场传递到定子侧后，其中有一部分功率消耗在定子绕组铜耗Pcus和电机铁耗PFe上。扣除定子铜耗Pcus和PFe铁耗之后，剩下的那部分电磁功率就是定子输出的有功功率Ps，也就是通常所讲的

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发电功率。即表示为：

Ps?Pe??PCus?PFe? (2-6)

当忽略定子、转子铜耗和铁耗时，转子有功功率近似为转差功率，定子输出有功功率近似等于电磁功率，即可以表示为：Pr=sPe=sPs。

由于转子转速nr的不同，双馈风力发电机稳定运行时的状态有以下三种。 当nr?n1时，双馈发电机亚同步运行，0

当nr?n1时，双馈发电机超同步运行，s<0，Pr?0，f2?0，此时变换器提供给转子的励磁电流为反向的低频交流电流，转子绕组通过变换器向电网传输转差功率，DFIG在超同步发电运行状态下的功率流向如图2-3 b)所示。

当nr?n1时，双馈发电机同步运行，s=0，Pr?0，f2?0，此时发电机的运行状态与同步电机一样，变换器提供给转子的电流为直流电流，双馈电机转子与电网之间没有能量的交换。

Ps?sPssPsPs?sPs电网sPs电网Psnrn1n2f2f1Psnrn1n2f2f1LLPmsPsPm变换器变换器sPsb) 超同步发电状态a) 亚同步发电状态图2-3双馈发电机稳定运行时的状态

2.2 风力机特性

风力发电的过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程，其中风力机的作用是吸收风能并将其转换成机械能。在风力发电的整个过程中，风力机起到了非常重要的作用，它作为风电系统中的核心部件之一，关系着整个风电机组的转换效率和运行性能，直接影响机组的安全、稳定、可靠运行。

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风力机输出的机械功率Pm可以用风速的函数式来表示[38]：

0????in?13??Cp?A??in????RPm??2 (2-7)

?????Rout?PR????out0??式中：υ为风速(m/s)；υin，υR，υout分别为风力机的启动风速、风力机的额定风速和风力机的切出风速(m/s)；PR为风力机输出的额定机械功率；ρ为空气密度(1.25kg/m3)；A为风力机叶轮的扫风面积(m2)；Cp为风力机的风能利用系数（也就是风力机将捕获的风能转换成机械能的转换效率）。

由式(2-7)可知，由于风速的不同，变速恒频风电机组的运行范围也会不同，主要划分为3个运行区域[39, 40]。第一个运行区域是在小于启动风速的区域，此时发电机与电网是脱离的，不能并网发电，风力发电机组主要完成发电机的启动。第二个运行区域是在启动风速和额定风速之间的区域，此时发电机并入电网运行，风力发电机组主要实现最大风能捕获。第三个运行区域是在额定风速和切出风速之间的区域，风力发电机稳定运行在额定功率状态。

本小节主要研究风速在启动风速和额定风速之间(υin≤υ＜υR)的这个区域时，风力机捕获风能的情况，即：

1Pm?CP?A?3 (2-8)

2由上式(2-8)可知，当风速恒定不变时，发电机的输入机械功率（风力机输出的机械功率）只由风能利用系数Cp来决定。由贝兹理论可知风能利用系数理论极限为0.593，实际上Cp小于0.593，一般取0.3~0.5之间。为了获得较大的输入机械功率必须采取一定的控制策略尽可能地去接近风能利用系数理论极限值。由于Cp是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数，故存在两种调节方式：一种是机械调节，即采用调节桨叶节距角的方法调节风力机的运行；另一种是电气调节，即桨叶节距角为常数(在额定风速以下一般β=0），调节发电机转速。采用第二种调节方式时Cp是λ的函数，此时用一条曲线Cp(λ)来描述定桨距风力机的空气动力特性。对于特定的风机，风能利用系数Cp只有在最佳叶尖速比λopt时最大，其值为Cpmax。

将叶尖速比λ定义为风轮叶尖线速度与风速之比的函数：

R?w??? (2-9)

其中，ωw为风力机叶片旋转角速度(rad/s)；R为叶片半径(m)。由式(2-9)可知，当风速变化时，为了获得最大的能量转换效率必须实时调整风力机的机械角速度以便维持λopt不变。

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2.3 机械传动轴系的数学模型

双馈风电机组的机械传动轴系主要包括低速轴、变速齿轮箱和高速轴，一般利用动态数学模型来表示它。风电机组的轴系数学模型依据轴系的不同建模方法和等效方法可以分为三质块模型、二质块模型和集中质块模型。

在电网正常条件下，双馈风力发电机组通过变换器解耦控制使得电气部分与机械部分之间发生解耦，同时通过变换器基本上将轴系扭振滤除掉了。但当电网发生严重故障如对称短路故障时，其轴系振荡就会表现出来，这只能通过对风力机与发电机质块惯量的详细模拟才能反映出来，故在风力发电机组建模时轴系需要用风力机与发电机的两质块模型来表示出来。

轴系的两质量块数学模型方程为[41, 42]：

d?t?2H?tdt=Tm?Ks?s?Dt?t?d?g?=Ks?s?Tg?Dg?g (2-10) ?2Hgdt??d?s?dt=?1??t??g??式中：Ks表示轴的刚度系数；θs为两质块之间的相对角位移；ω1为同步转速；

ωt、ωg分别表示为风力机、发电机转子的转速； Dt、Dg分别表示风力机、发电机转子的阻尼系数； Ht、Hg分别表示风力机、发电机转子的惯性常数； Tm与Te分别为风力机机械转矩、发电机电磁转矩。

2.4 转子侧变换器的建模与控制

2.4.1 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型

去掉变换器后的双馈风力发电机实际上就是一台绕线式异步电机，它的定子绕组、转子绕组、电路和磁路都是对称的，而且内部的气隙也是均匀分布的。

双馈发电机定、转子都选用电动机惯例，所谓电动机惯例，即取电流的正方向为流入电路的方向，电磁转矩的正方向与旋转方向一致。

为了便于分析和控制，通常在同步旋转坐标系下建立双馈发电机的动态模型，按电动机惯例的DFIG在dq同步旋转坐标系下的动态模型如下：

（一）电压方程

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d?ds?u?Ri+???dssds1qs??dt定子电压方程：? (2-11)

?u?Ri+d?qs???qssqs1ds?dt?d?dr?u?Ri???s?qrdrrdr??dt转子电压方程：? (2-12)

?u?Ri?d?qr???qrrqrsdr?dt?（二）磁链方程

??ds?Lsids+Lmidr定子磁链方程：? (2-13)

??Li+Lisqsmqr?qs??dr?Lridr+Lmids转子磁链方程：? (2-14)

??Li+Lirqrmqs?qr（三）定子输出功率方程

3?P??ui?uqsiqs???s2dsds (2-15) ?3?Q??ui?ui?sqsdsdsqs??2（四）转子的瞬时电磁功率

3?P?udridr?uqriqr??r??2 ? (2-16)

?Q?3?ui?ui?rqrdrdrqr??2

（五）电磁转矩方程和转子运动方程

Te?3npLm?iqsidr?idsiqr? (2-17) 2原动机产生的机械转矩拖动发电机，如果机械转矩Tm和电磁转矩Te之间不匹配，负载转矩是随转速而变化的，转矩之差使转子加速，从而有：

Tm?Te?Jd?r (2-18) dt式中：u、i、R、?、L、P、Q分别表示电压、电流、电阻、磁链、电感、有功功率、无功功率；下标s、r分别表示定子量、转子量；下标d、q分别表示同步速旋转dq坐标系的d、q轴分量；Lm为互感；?1为同步角速度；?r为电机转子角速度；s为转差率；?s??1??r?s?1为同步速旋转dq坐标系相对于转子的旋转角速度，也就是转差角速度；J为风电机组的转动惯量；np为极对数；Tm=Pm?r为发电机输

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入机械转矩；Te为发电机输出的电磁转矩。

2.4.2 传统的转子侧变换器控制策略

转子侧变换器主要的控制目标是通过转子电流的dq轴分量分别对DFIG转子转速和无功功率（有功功率和功率因数）进行独立的控制，从而实现发电机变速恒频运行和最大功率点跟踪。为了实现该控制目标，转子侧变换器选用定子电压定向的矢量控制方案对定子输出有功、无功进行解耦。

当DFIG定子绕组连接到无穷大电网后，定子三相电压矢量us可以当做是恒定不变的，这时在dq坐标系下也可认为定子磁链?s是恒定不变的。同时相对于电网来说定子电阻上的压降也可忽略不计的，故：

Rs?0d?ds?0dtd?qsdt?0 (2-19)

将定子电压矢量定向在d轴上，也就是将定子电压矢量与两相同步旋转坐标系的d轴重合，则：

??uds?Us (2-20) ?u?0??qs将式(2-19)、(2-20)代入定子电压方程(2-11)得：

??ds?0?Us (2-21) ?????qs?1?将式(2-20)代入定子输出的有功、无功功率方程(2-15)得：

3?P?ui??s2dsds (2-22) ??Q??3uisdsqs??2将式(2-21)代入定子磁链方程(2-13)得：

Lm?i??idr?dsL?s (2-23) ?LU?i??mi?sqsqr?LLs?1s?由式(2-22)和式(2-23)知，转子侧变换器采用定子电压定向的矢量控制后，使得定子输出有功与无功功率实现了解耦。定子有功功率Ps的大小仅仅由转子电流d轴分量idr来独立控制，而定子无功功率Qs的大小仅仅由转子电流q轴分量iqr来独立控制。

将式(2-23)代入发电机的电磁转矩方程(2-17)得：

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3LU3LTe??npmsidr=npm?sidr (2-24)

2Ls?12Ls由上式可知，发电机输出电磁转矩Te与转子电流d轴分量idr是正比的关系，又由于发电机输入机械转矩Tm不变时，改变输出电磁转矩Te即可调节发电机转子转速，因此通过调节idr的大小即可调节转子转速的大小。

将式(2-23)代入转子磁链方程(2-14)得：

???L2m??L??dr?r?idrLs??? (2-25) ?2????L?Lm?i?LmUs?qr?rL?qrL?s?s1??L2L令b?Lr?m，a?m

LsLs将式(2-25)代入转子电压方程(2-12)得：

?didr?Usu?b?Ri??bi??a?dr?rdrsqrsdt?1??????udr??udr?diqr?u?b??Rriqr??sbidr??qrdt????uqr???uqr??? (2-26)

依据式(2-26)可以设计出双馈风力发电机在稳定运行状态下转子侧变换器的电

?为实现转子电压、?、uqr?uqr?udr、流内环控制策略。其中udr电流解耦控制的解耦项，

为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。如此将转子电压分解为解耦项和补偿项后，不仅简化了控制，还能够保证控制的精确度及动态响应的快速性。

因此，根据以上所推导的数学模型，可以得到如图2-4所示传统的转子侧变换器控制策略框图。系统采用双闭环控制结构，外环为转子转速和无功功率控制环，内环为电流控制环。在外环中，转子转速参考指令ωref由最大功率点跟踪模块计算得出，无功功率参考指令Qs*依据电网的需求进行调节，通常设定为0。ωref、Qs*分别与实际反馈值ωr、Qs进行比较，差值经PI调节器，输

****出转子电流的有功和无功指令idr、iqr；idr和iqr与转子电流实际反馈量idr、iqr比

? ；udr?分别加上电压?、uqr?、uqr较后的差值送入PI调节器，输出电压解耦项udr**补偿分量后就可获得转子电压指令udr、uqr，经同步旋转坐标反变换后得到转

***子三相电压控制指令uar、ubr、ucr；将它们与三角载波比较以产生SPWM 脉

冲去控制变换器开关管IGBT的通断，从而实现双馈发电机变速恒频运行及有

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功、无功率的独立调节控制。

Rriqr+?sbidrRridr??sbiqr+?saUsABC?ref+?r-PIT*eLsLm?si*dr+-PI?udr+u+*dr?1dqabcu*abcrPWMQ-*s+Qs*iqr+PI-iqr?r+uqPI+*uqridr??idriqrdqabciabcr?r?sPsQs-?1+DFIG?1PPLdqabcuabcsiabcs电网PQ计算udqsidqs图2-4 传统的DFIG转子侧变换器控制策略框图

2.5 网侧变换器的建模与控制

2.5.1 网侧变换器的数学模型

双馈风电系统网侧变换器主要有两个控制目标：一是具有良好的输入特性，即确保网侧输入电流波形为正弦，输入功率因数接近1；二是通过控制网侧输入电流来保障直流母线电压恒定不变。

PrPgg1igaigbigcg3ugcag5idcgicidcrPc转子侧变流器RugaugbugcLugcbCVdcugccg4g6g2

图2-5网侧PWM变换器结构示意图

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如图2-5所示为网侧PWM 变换器结构示意图，图中uga、ugb、ugc是电网相电压，ugca、ugcb、ugcc是网侧变换器端相电压，iga、igb、igc是网侧变换器输入相电流，idcg是网侧的直流电流，idcr转子侧的直流电流，Vdc是直流母线电压（直流侧电容C的电压），C为直流母线电容，R、L分别为网侧等效电阻和电感，Pg是网侧变换器输入的有功功率，Pr是转子侧变换器输入的有功功率。

假设电网电压三相平衡，功率开关为理想器件，根据图2-5所示，可得三相静止坐标系下网侧变换器的数学模型为：

diga?+Riga+ugca?uga=Ldt?digb?+Rigb+ugcb (2-27) ?ugb=Ldt?digc?u=L+Rigc+ugcc?gcdt?将上式进行坐标变换，得两相同步旋转坐标系下网侧变换器的数学模型：

digd?u?L+Rigd??1Ligq?ugcd??gddt (2-28) ?di?u?Lgq+Ri+?Li?ugqgq1gdgcq?dt?式中，ugd、ugq分别为电网电压的d、q轴分量，ugcd、ugcq分别为网侧变换器端电压的d、q轴分量，igd、igq分别为网侧变换器输入电流的d、q轴分量。

流过直流母线的电流为：

ic=CdVdc=idcg?idcr (2-29) dtdVdc=Pg?Pr (2-30) dt流过直流母线的有功功率为：

Pc=CVdc2.5.2 传统的网侧变换器控制策略

网侧变换器从电网吸收的有功和无功功率分别为：

3?P?(ui?ugqigq)??g2gdgd ?3?Q?(ui?ui)ggqgdgdgq??2 (2-31)

为了简化控制，网侧变换器控制策略一般采用电网（定子）电压矢量定向，将同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量us重合。即：

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??ugd?us (2-32) ?u?0??gq将式(2-32)代入网侧变换器输入的有功和无功功率关系式(2-31)，如下：

3?P?ui??g2sgd (2-33) ?3?Q??uigsgq??2

由式(2-33)知，网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制后，使得网侧有功与无功功率实现了解耦，网侧有功功率Pg的大小仅仅由网侧输入电流d轴分量igd来独立控制，而网侧无功功率Qg的大小仅仅由网侧输入电流q轴分量igq来独立控制。当Pg>0时，表示网侧变换器从电网吸收有功功率，工作在整流状态；当Pg<0时，表示网侧变换器向电网输送有功功率，工作在逆变状态；当Qg>0时，表示变换器相对于电网呈现感性，从电网吸收无功功率；当Qg<0时，表示变换器相对于电网呈现容性，向电网输送无功功率。

将式(2-32)代入同步旋转坐标系下网侧变换器的数学模型(2-28)，得：

digd?u??L?Rigd?us+?1Ligqgcd??dt (2-34) ??u??Ldigq?Ri??Ligcqgq1gd?dt?依据式(2-34)可设计出网侧变换器的电流内环控制策略。

VdcVdc_refigq_refus+?1LigqPIigd_refPIPIigdu*gdu*gqu*gcdCu*gcabc坐标变换u*gcqSPWM发生器网侧变流器?1Ligd坐标变换igqigabc?usg坐标变换ugabc电网图2-6 传统的网侧PWM变换器控制框图

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因此，根据以上所推导的数学公式，可以得到如图2-6所示传统的网侧PWM变换器控制框图。控制系统采用了双闭环控制结构，其中外环为直流母线电压控制环，内环为电流控制环。当网侧变换器输入功率Pg和输出功率Pr不平衡时，直流母线电压就会发生波动。因此，可通过igd对网侧输入有功功率Pg进行控制，进而控制直流母线电容电压Vdc。为了使双馈发电机单位功率因数运行，设定网侧输入电流q轴分量的参考值igq_ref为零。

2.6 本章小结

本章分析了双馈风力发电系统的运行原理和功率特性，建立了双馈风电机组的数学模型，主要包括机械传动轴系数学模型、转子侧变换器数学模型和网侧变换器数学模型，在此数学模型的基础上，为了实现双馈风电机组变速恒频运行和有功、无功功率的解耦控制，研究了基于定子（电网）电压定向的转子侧和网侧变换器控制策略。

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第3章 电网电压跌落时DFIG的运行特性

从电力系统稳定性的角度考虑，电网要求双馈风力发电机组在电网发生故障时能够不脱网连续运行，在电网故障切除后，能够尽快恢复机端电压，并维持系统稳定运行。为满足电力系统稳定性要求和研究双馈风力发电机低电压穿越技术，需要深入了解发电机在电网电压跌落时的动态运行特性。

双馈风力发电机定子绕组与电网直接相连，那么电网电压的瞬时骤降将会引起发电机端定子电压的下降。定子电压的突然变化将会在双馈风力发电机的内部引发一连串的暂态变化，其中最主要的暂态变化就是发电机定子磁链的变化。本章从电网电压跌落时，双馈风力发电机定子磁链的暂态过渡过程入手，分析得出：（1）电网故障发生时发电机各个物理量的暂态量化关系；（2）转子电压的暂态变化过程，及定、转子电流的暂态变化情况；（3）电网电压瞬降时导致发电机定、转子过电流的根本原因。

3.1 定子磁链动态过程分析

本章借助空间矢量的研究方法，研究相量的暂态特性。利用空间矢量来描述发电机的电磁基本关系，并进一步研究电网故障时发电机组的电磁动态过渡过程和低电压运行特性。

若双馈发电机定、转子均采用电动机惯例，那么在定子复坐标系下双馈发电机的定、转子空间矢量电压方程表示为[43]：

d?s?u?Ri+ss??sdt (3-1) ?d??u?Ri+r?j??rrrrr?dt?定、转子空间矢量磁链方程可表示为：

??s?Lsis+Lmir (3-2) ???Li+Lirrms?r式中：us、is、ψs分别为定子复坐标系下定子电压、电流、磁链空间矢量，ur、ir、ψr分别为定子复坐标系下转子电压、电流、磁链空间矢量，Rs、Rr分别为定子、转子绕组的电阻，ωr为转子旋转角速度。

若忽略定子电阻，即Rs?0，由式(3-1)的第一式可知，电网电压正常时，发电机定子电压与定子磁链之间的关系式为：

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us?d?s (3-3) dt其中us=umej?1t，由式(3-3)可知，在不考虑定子电阻的情况下，发电机定子电压约等于定子磁链的微分。

当发电机稳定运行时，定子磁链空间矢量的幅值恒定不变并以同步速恒速旋转，磁链空间矢量顶端的运动轨迹为圆形，它的空间矢量形式为：

?s??mej?t (3-4)

1其中，ψm为定子磁链的幅值，ω1为定子磁链旋转角速度。

由式(3-3)和式(3-4)得：

us?d??mej?1t?dtj?1t=j??=j??1me1s (3-5)

当电网发生三相对称故障时，故障瞬间的定子磁链变化情况分析如下：假设转子开路，也就是ir＝0，由式(3-1)和(3-2)得：

d?sR=us?s?s (3-6) dtLs由磁链守恒原则可知，在电网故障的瞬间，定子电压会发生突变，但是定子磁链不能突变。为了使故障瞬间定子磁链不发生突变，磁链中将会产生一个暂态直流分量[44]。故，在电网发生三相对称故障时，式(3-6)的解（定子磁链）包含两个分量：（1）定子磁链旋转分量ψs1，该旋转分量以同步速旋转，其大小由定子电压的大小来确定；（2）定子磁链暂态直流分量ψsDC，该直流分量由定子电压瞬降所引起的，在空间保持静止，并以一定的时间速率衰减。在电网故障的瞬间定子磁链的这两个分量同时存在，且相加等于故障前的磁链。而在故障发生一段时间后暂态直流分量会渐渐衰减为零，最后定子磁链只存在一个旋转分量。因此，式(3-6)的解可以表示为：

RstLs?s??s1??sDC??s1?Ce? (3-7)

其中，C为初始值，其大小由故障发生的严重程度决定。

设电网发生故障前后双馈发电机的定子电压分别表示为：

?uus=?s (3-8)

?bus由式(3-5)和(3-8)得电网发生故障前后双馈发电机的定子磁链分别为：

?us?j??1 ?s=? (3-9)

?bus??j?1 25

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其中b为电网故障导致定子电压降落到的百分比。

由于电网故障瞬间定子磁链不能突变，故在故障发生时刻t0前后定子磁链相等：

? ?s?t0?=?s1?t0+?+?sDC?t0+? (3-10)

将式(3-9)带入式(3-10)得：

umj?1t0bumj?1t0e=e+?sDC?t0? (3-11) j?1j?1设t0=xT1，0?x?1，T1=1f1，f1为电网频率，即故障发生时刻t0可表示为电网一个周期0.02s内的任意时刻。又由?1=2?T1，则在电网一个周期内的任意时刻发生三相对称故障时，根据式(3-11)定子磁链直流分量可表示为：

??1?b?umj?t?1?b?umj??2?x???2?=e=e?10?sDC?t0?j?1?1 (3-12)

由式(3-12)可知，在电网发生三相对称故障的瞬间，双馈风力发电机定子磁链暂态直流分量的幅值为常数，此幅值仅由定子电压降落到的百分比b决定；而电网发生故障的时刻t0决定了定子磁链直流分量的初始相位。

由对称分量法可知，在电网发生不对称故障时，双馈发电机定子电压可以分解出负序分量，又考虑到定子电压瞬降时定子磁链中会出现直流分量，因此，当电网发生不对称故障时，双馈发电机定子磁链中会有正序分量、负序分量及直流分量。即电网发生不对称故障时的定子磁链可描述为[45]：

?s=?sP+?sN+?sDC (3-13)

式中下标sP表示定子正序分量、sN表示定子负序分量。

3.2 转子绕组动态过程分析

双馈发电机定子直接与电网相连，当电网发生故障时，通过定转子之间的电磁耦合对发电机转子造成影响，以下对电网发生故障时双馈发电机的转子电压、电流变化情况进行分析。

在转子开路情况下，由电机运动控制理论可知，电网故障时发电机定子磁链直流分量会在电机转子中产生与转子转速成正比的旋转电动势，由3.1节的分析可知定子磁链直流分量以指数规律随时间逐渐衰减，由其在转子上产生的旋转电动势的幅值（即包络线）亦随之减小，此旋转电动势是引起转子过电压的主要原因。

由式(3-2)可得：

Lm?s+?Lrir (3-14) Ls?r= 26

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L2其中，?=1?m。

LsLr将上式代入式(3-1)的第二式得转子电流：

ir=ur?Lm?p?j?r??sLsRr+?Lr?p?j?r? (3-15)

其中，p=d。 dt由上式可知，转子电流由转子电压、定子磁链及转子转速共同确定。由3. 1节的分析可知，在电网突然发生对称故障时，定子磁链中的直流分量大小仅由定子机端电压降落的幅度决定，与发生故障的时刻无关，因此，故障时刻转子电流的大小由转子电压的瞬时值、转子转速及故障发生时转子所处的不同旋转角位置决定。

根据电机运动控制理论，定子磁链直流分量以转子转速切割转子绕组，在发电机转子中将产生与转子转速成正比的旋转电动势，由式(3-15)可知转子电流中也将出现由定子磁链直流分量引起的旋转电流分量。以上分析是在假设转子开路的情况下得出的，但实际情况转子并非开路。下面分析转子与变流器连接时，电网故障下的暂态情况。

在电网发生三相对称故障过程中，如果此时仍采用传统的转子励磁变换器控制策略，即转子中有转子励磁电流存在，则转子故障电流包含两个分量：（1）转子电流励磁分量，该分量是由转子励磁变换器提供的；（2）转子电流旋转分量，该分量是由定子磁链直流分量引起的。当电网发生不对称故障时，除上述两个分量外，还有一个转子电流负序分量。因此，导致电网故障时转子过电流的根本原因是上述三个电流分量的共同作用。

3.3 电压跌落时DFIG的动态响应

为了更加深入的研究双馈风力发电机在电网电压跌落时的动态特性，本文基于Matlab/Simulink仿真软件创建了一个总容量为9MW的风电场仿真模型，该模型采用6台1.5MW的双馈风力发电机，变换器的控制策略采用第2章所介绍的传统的控制策略。

在此次双馈风力发电机组低电压穿越的仿真中，假设该风电机组没有增加任何Crowbar保护电路，在发生电压跌落之前，双馈风力发电机组运行在额定状态，并以恒功率因数运行。在t=0.3s时电网电压骤降了0.2pu，故障持续时间为0.2s，t=0.5s时电网电压恢复正常，仿真结果如图3-1所示。

电网电压跌落的整个过程包含了电压跌落和电压恢复这两个阶段，在电压跌落期间发电机从正常运行过渡到故障运行状态，在电压恢复时发电机从故障状态重新

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恢复到正常运行。

图3-1 a)表示电网三相电压的动态变化过程，在0.3s时电压从1.02pu骤降至0.82pu，骤降了0.2pu，故障持续了0.2s，在0.5s时电压恢复正常。

由于发电机定子与电网直接相连，所以电网电压的骤降会引起定子电压的突变，如图3-1 b)所示，定子d轴电压动态变化过程与电网电压一致。

定子电压的突变会引起定子电流的变化，如图3-1 c)和图3-1 d)所示分别为定子d、q轴电流动态过程。

在定子绕组中产生的定子磁链直流分量会通过定子和转子磁路，在转子绕组上感应出很大的故障电流，对变换器的安全造成威胁，如图3-1 e)和图3-1 f)所示分别为转子d、q轴电流动态过程。另外一方面定子电压的突然下降会造成定子侧输出有功功率迅速减少，这时变换器的控制器为了增加发电机输出的有功功率，会增大转子电流的有功分量（转子d轴电流）；又因为通常情况下设定发电机与电网之间交换的无功功率为零，当电网发生故障导致发电机无功功率振荡时，转子电流的励磁分量（转子q轴电流）会依据定子无功功率的变化而快速调节，使定子无功功率始终保持为零，这也会造成转子绕组的电流发生波动[46]。

图3-1 g)为发电机组输出有功功率动态变化过程，电网电压跌落引起定子电压的降低，造成输出有功功率急剧减小。

图3-1 h)为发电机组输出无功功率动态变化过程，电网电压跌落后，变换器从电网吸收一定的无功功率。

由于电网电压跌落，系统输出有功功率将减少，故电磁转矩在电压跌落期间会衰减然后达到一个稳态，且小于故障发生前的电磁转矩，如图3-1 i)所示。又由于机械惯性，故障期间发电机的机械转矩基本不变，所以会导致发电机的转速变大。

电压跌落期间和电压恢复时，转子发出的有功功率会发生振荡，使得直流母线上流动的功率不再平衡，从而导致直流母线电压波动。如图3-1 j)所示，直流母线电压在电压跌落期间和电压恢复时均在额定值附近上下波动，且一段时间之后稳定在额定值上。

1Uabc（p.u）0-10.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

a) 电网三相电压的动态过程

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1.1Uds（p.u）10.90.80.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

b) 定子d轴电压的动态过程

-0.7Ids（p.u）-0.8-0.9-10.20.30.40.50.60.7c) 定子d轴电流的动态过程

0.80.91t/sIqs（p.u）0.20-0.20.210.30.40.50.60.7d) 定子q轴电流的动态过程

0.80.91t/sIdr（p.u）0.90.80.70.20.30.40.50.60.7e) 转子d轴电流的动态过程

0.80.91t/s 29

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-0.2Iqr（p.u）-0.4-0.6-0.80.20.30.40.50.60.70.80.91t/sf) 转子q轴电流的动态过程

10p（MW）980.20.30.40.50.60.70.80.91t/sg) 系统输出有功功率的动态过程

Q（MVar）2100.20.30.40.50.60.70.8h) 系统输出无功功率的动态过程

0.91t/s-0.6Te（p.u）-0.8-10.20.30.40.50.60.7i) 电磁转矩的动态过程

0.80.91t/s 30

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1160Vdc（V）115011400.20.30.40.50.60.7j) 直流母线电压的动态过程

0.80.91t/s图3-1 电网电压跌落了0.2pu时DFIG的动态响应过程

由图3-1可知当电压发生跌落和电压恢复时，发电机定子绕组与转子绕组均产生较大电流，同时直流母线电压也发生比较大的波动。对于DFIG定子绕组，只要故障电流不超过DFIG定子绕组所允许的极限值，定子绕组短时过电流是可以接受的。而DFIG转子绕组与转子侧变换器相连，受变换器中电力电子器件耐压水平和过流能力的限制，转子侧变换器将不能承受DFIG中出现的这种严重的电磁暂态过程。为了保护转子侧变换器和直流侧电容的安全，必须对其采取相应的保护措施[47]。

通过上述仿真，可以看出转子侧变换器输出电流的上限值和直流母线电压的上、下限值是限制DFIG机组低电压穿越能力的两个主要因素。为了提高DFIG低电压穿越能力有必要采取一定的保护措施来限制转子过电流和直流母线电压波动。

3.4 本章小结

本章利用空间矢量作为研究工具，根据发电机的空间矢量模型，对双馈风力发电机的电磁暂态过程和转子绕组产生过电压、过电流的原因进行了分析。最后基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了双馈风力发电系统的仿真模型，并对电网电压跌落故障下DFIG的动态运行特性进行了仿真分析，分析结果表明：为了提高DFIG低压穿越能力有必要采取相应的保护措施来限制转子过电流和直流母线电压波动。

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第4章 双馈风电机组低电压穿越控制策略

随着风力发电容量的迅速增大，与风力发电场并网运行有关的DFIG低压穿越问题也逐渐凸显出来。由于DFIG励磁变换器的容量比较小，使得它在电网发生故障时易出现励磁失控，危害风电机组的安全运行。因此，在电网出现故障时，必须对DFIG机组采取有效的措施来限制发电机定、转子过电流和直流母线电压的波动，防止发电机从电网上解列。目前，提高DFIG机组低电压穿越能力的有效方法主要有两大类：一类是增加硬件保护设备，另一类是完全依靠改进变换器控制策略的方法。前一类包括：（1）增加Crowbar保护电路，该方法简单实用，但是在故障过程中双馈发电机作为感应电动机运行，会从电网中吸收一部分无功功率，这对电网电压的恢复非常不利；（2）增加直流卸荷电路，该方法简单有效，便于实现，但是不能限制直流母线电压的降低。后一类包括：（1）针对电网故障期间定子磁链出现的直流分量和负序分量来制定灭磁控制策略，该控制策略受转子励磁变换器容量的限制；（2）采用变桨控制方法来快速调节风力机捕获的功率，限制其转子转速的升高，减少双馈发电机从电网吸收的无功，帮助电网电压恢复，但是这种方案并没有考虑到变换器的励磁控制作用在电网电压跌落时的应用。

本章针对故障过程中出现的转子过电流和直流母线电压波动现象详细推导了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的DFIG的精确数学模型，在该精确模型的基础上，提出了电网电压跌落时DFIG系统的低电压穿越控制策略（改进的变换器控制策略），包括转子侧和网侧这两方面的控制策略。其中转子侧变换器低电压穿越控制策略是根据定子磁链的变化特点提出的，在电网故障时能消除定子磁链直流分量及负序分量；网侧变换器低电压穿越控制策略是基于网侧变换器输入功率与输出功率平衡而提出的，能一定程度上减小直流母线电压的波动。

4.1 电网故障时转子侧变换器的控制策略

传统的变换器矢量控制策略通常认为电网是无穷大的理想电网，假设电网电压恒定不变，且没有考虑定子励磁电流的动态变化过程，从而得到简化的DFIG数学模型，并根据这个简化模型来设计转子侧变换器的电流内环控制器。这种电流内环控制器在电网正常的状况下可使得DFIG系统获得优良的动静态特性，但在电网发生故障（如电网电压跌落）的状况下将导致DFIG系统的控制性能恶化。为了提高电网电压骤降下DFIG的控制性能及不间断运行能力，在推导DFIG数学模型时，必须把定子励磁电流动态变化考虑进去[48]。

由第3章中对电网电压跌落时DFIG定子磁链暂态变化的分析可知，正是由于

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电网电压瞬降故障过程中DFIG定子磁链发生变化才导致了DFIG转子过电压和过电流。因此为了抑制DFIG转子电压和电流的升高并实现DFIG低电压穿越控制，必须考虑DFIG定子磁链的动态变化对DFIG系统的影响。

经过上述分析，本节综合考虑电网电压跌落故障过程中定子励磁电流和定子磁链的动态变化对DFIG系统的影响，在计及定子励磁电流动态变化的DFIG精确数学模型的基础上，根据电网电压瞬降时DFIG定子磁链的变化特征提出一种消除定子磁链直流分量和负序分量的低电压穿越控制策略。

DFIG在同步旋转dq坐标系下的电压矢量方程和磁链矢量方程分别表示为：

d?s?U?RI++j??ss1s??sdt (4-1) ??U?RI+d?r?j??rrrsr?dt???s?LsIs+LmIr (4-2) ???LI+LIrrms?r式中，Us、Ur分别为定子、转子端部电压矢量，并且Us=usd+jusq，Ur=urd+jurq；

Is、Ir分别为定子、转子绕组中的电流矢量，并且Is=isd+jisq，Ir=ird+jirq； Ψs、Ψr分别为定子、转子磁链矢量，并且?s=?sd+j?sq，?r=?rd+j?rq； 电网电压跌落必然会影响DFIG的动态运行特性，因此在推导DFIG的精确数学模型时通过定子励磁电流来计算这其中的影响，并且令定子励磁电流矢量Im0为：

Im0=?sLm=LsIs+Ir (4-3) Lm由式(4-2)、(4-3)得转子磁链矢量表示为：

L2?r=mIm0+bIr (4-4)

LsL2其中，b?Lr?m。

Ls将(4-3)式代入定子电压矢量方程得：

Us=RsIs+LmdIm0+j??1s (4-5) dt由式(4-5)得：

dIm01=?Us?RsIs?j??1s? (4-6) dtLm将(4-4)、(4-6)式代入转子电压矢量方程得：

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Ur=RrIr+b?L?LdIr+j?s?m?s+bIr?+m?Us?RsIs?j??1s? (4-7) dtLLs?s?式(4-7)是改进的转子侧变换器矢量控制策略中电流内环控制器设计的依据，相比于传统控制方案，改进后的控制方案在原有的转子电压控制项上再加上了一个计及定子励磁电流变化的补偿量LmLs?Us?RsIs?j??1s?。

若采用将定子电压定向在d轴上的矢量控制方案，则uds?Us，uqs?0，式(4-7)可写成dq分量的形式：

didrLmLm?u=b+Ri??bi???+Us?Rsids+???rdrsqrsqs1qs??drdtLL?ss (4-8) ?diLL?u=bqr+Ri+?bi+?m?+m??Ri????qrrqrsdrsdssqs1ds?dtLLss?didr??u=bdr??dt令? (4-9) ?u?=bdiqrqr?dt?将(4-9)式代入(4-8)式，得转子输出电压参考值为：

?*???Lmu=u+Ri??bi????drdr?rdrsqrsqs?+udr1Ls??? (4-10) ??u*=u?+?Ri+?bi+?Lm??+u?qrqr?rqrsdrsLds?qr1s???Lm?u=1qs??dr1L?Us?Rsids+???s其中，转子电压补偿项为?

L?u=m??Ri????qr1sqs1ds?Ls?由式(4-10)知相比于传统定子电压定向的矢量控制，改进的控制方案引入了一个转子电压补偿项，如图4-1所示，它在传统控制中则被认为零。

由分析可知，若采用传统的转子侧变换器控制策略，在电网出现三相对称短路故障时，双馈风力发电机转子电流由两个分量组成：转子电流励磁分量、由定子磁链直流分量引起的转子电流旋转分量（以及电网不对称故障时的转子电流负序分量）。本文在上述推导的DFIG精确数学模型的基础上，从抑制转子电流旋转分量（及负序分量）的角度出发，通过对转子电流的控制来抵消定子磁链直流分量（及负序分量）对其影响，并提出了一种转子侧变换器LVRT控制策略[49]。

设双馈发电机转子三相电流为iar、ibr、icr，将其变换到同步旋转dq坐标系下得到转子电流dq轴分量idr、iqr，此时，转子电流励磁分量为直流量，而转子电流旋

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转分量（及负序分量）为交流量。为了能将转子电流旋转分量（及负序分量）分离出来，使idr、iqr经低通滤波，获得转子电流励磁分量（直流量）idrDC、iqrDC，那么转子电流旋转分量（及负序分量）为irAC=ir－irDC。为了抵消定子磁链直流分量（及负序分量）对转子电流的影响，在转子稳态励磁电流指令值i*rd、i*rq上减去转子电流旋转分量（及负序分量）idrAC、iqrAC，得到转子电流给定参考值，即：

*??idr_ref=idr?idrAC (4-11) ?*i=i?i??qr_refqrqrAC相应的DFIG转子侧变换器LVRT控制框图如图4-1所示。在DFIG精确数学模型的基础上，采用上述LVRT控制策略能在一定程度上减小电网电压跌落故障对发电机定、转子的影响。

Rriqr+?sbidr+?sLm?dsLsLRridr??sbiqr??sm?qsLsABC?ref+-PIQs*-Te*LsLm?s*idr+*iqr+idr_ref-PIiqr_ref++-idr+Qs--iqr'*udrudr+PI+'*uqruqr+PI+?udr1uqr1?dqabc*uabcrPWMiqrACidrAC+-idrDC-+iqrDC低通滤波idriqrudqr1动态补偿项计算dqabciabcridqsudqs?r?s-?1+?1PPLdqabc?dqs定子磁链计算idqsDFIG?1PsQsuabcsiabcsudqsPQ计算电网图4-1 改进后的DFIG转子侧变换器控制策略框图

4.2 电网故障时网侧变换器的控制策略

作为双馈风力发电机双PWM变换器中的重要组成部分，网侧变换器(GSC)一方面要保证双馈发电机能量双向传递，另一方面要使直流母线电压恒定、调节网侧输出功率因数。网侧变换器传统的控制方法大都是在电网电压正常的条件下进行设计，但在实际的风电并网系统中，电网故障可能引起电网电压骤降和不对称现象发生。此时，若仍然采用GSC传统的控制方法，将导致变换器中的直流母线电压大幅波动，GSC无法及时将能量回馈电网，特别是在电网故障严重时，GSC的失控很

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可能导致DFIG转子励磁失控。因此，GSC在电网发生故障时的有效控制对于DFIG是否能够穿越电网故障、向电网输送电能至关重要。

当系统稳态运行时，变换器中间直流母线电压将恒定不变。忽略电抗器和开关功率器件的损耗，认为网侧变换器输入的瞬时功率Pg等于转子侧变换器输入的瞬时功率Pr。当系统处于动态调节时，流过直流母线的瞬时功率等于Pg与Pr之差。当电网电压跌落时，由于发电机的运行状态发生突变，转子侧输入的瞬时功率将随之发生变化。而网侧变换器输入瞬时功率变化缓慢，不能立即跟随转子侧变换器的瞬时功率的变化，引起直流母线电压的波动，进而影响直流母线电容的安全运行。因此，在电网故障过程中需要对传统的网侧变换器控制策略进行改进。

实际上，在电网电压跌落期间无法保证直流母线电压稳定在恒定值，只能尽量减小其波动。那么在双馈风力发电系统低电压穿越过程中，网侧变换器的控制目标是：在确保网侧变换器中电力电子器件安全的同时，尽可能的减小直流母线电压波动，以满足双馈风力发电机不脱网连续运行的要求。

为了提高系统对电网电压波动的抗干扰能力，减小直流母线电压因此产生的波动，关键是要保证网侧变换器输入功率与输出功率的平衡：

Pg=Pc+Pr (4-12)

忽略线路和开关器件的损耗，则有：

?dV?ugdigd?ugqigq?Vdc?Cdc+idcr? (4-13)

dt??由于ugd?us，ugq?0，且稳态时CdVdc=0，代入式(4-13)得： dtusigd?Vdcidcr (4-14)

*通常认为igd?igd，取电流指令值：

*igd?Kfidcrus (4-15)

代入式(4-14)得：

Kf=Vdc (4-16)

通过上述分析，得到如图4-2所示的改进后的网侧变换器控制框图。改进的控

*?Vdcidcrus。在制方案是在原来的直流母线电压外环的输出上加了一个前馈分量igd电网电压跌落时，网侧变换器采用电流内环控制结构，将直流母线电压经PI调节器

*?Vdcidcrus一起作为网侧输入电流d轴分量的参考值。这样网的输出和前馈分量igd侧输入电流的d轴分量igd就能及时跟踪转子侧输入瞬时功率Pr的变化，将直流母线电压的波动限制在一定范围内。

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VdcVdc_refVdcidcrusPIigq_refigd_refus+?1LigqPIPIigdu*gduu*gcdsCu*gcabc坐标变换u*gq*gcqSPWM发生器网侧变流器?1Ligd坐标变换igqigabcd轴的位置?gus坐标变换ugabc电网图4-2改进后的网侧变换器控制框图

4.3 仿真分析

为了分析和研究DFIG在采用了本文中所提出的改进控制策略后的控制效果如何，本文基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了由6台1.5MW DFIG组成的风力发电系统仿真模型。

DFIG仿真参数：额定功率1.5MW，额定频率60Hz，极对数3，定子额定电压575V，定子电阻0.023pu，定子漏感 0.18 pu，转子电阻0.016 pu，转子漏感0.16 pu，互感2.9 p u，惯性时间常数0.685s。直流母线电压1150 V。

电网发生故障前DFIG一直稳定运行在转子转速为1.2pu的状态下，在t=0.3s时电网电压骤降了0.2pu，这种故障一直持续了0.2s后，在t=0.5s时电网电压重新恢复正常。在这种电网电压骤降故障下DFIG系统分别采用传统的变换器控制策略和改进的变换器控制策略进行仿真对比，仿真结果如图4-3所示。

由于DFIG的定子直接与电网相连，故电网电压骤降将引起定子电压的跌落，如图4-3 a)所示。同时发电机将从电网中吸收更多的无功功率来支持电网电压的恢复如图4-3 g)所示。从能量守恒的角度看，电网电压骤降会使 DFIG 产生的电能不能全部送出，DFIG输送至电网的有功功率和电磁转矩都减小，如图4-3 f)和图4-3 h)所示。

由图4-3 a)可以看出，改进的控制策略能有效的抑制定子电压的跌落。那么发电机从电网中吸收的无功功率也减小了，如图4-3 g)所示。同时有效的抑制了发电机输出有功功率的波动，如图4-3 f)所示。

由图4-3 b-c)和图4-3 d-e)可以看出，改进控制下定、转子电流的幅值得到了

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削弱，表明改进的控制策略可对定、转子冲击电流实现有效的控制，以防止电网故障时定子、转子过电流。

由图4-3 h)不难看出，电磁转矩在改进的控制策略下的波动趋于平缓，从而可以在一定程度上降低机组转轴系统的机械应力。

由图4-3 i)可以看出，改进控制下直流母线电压的幅值得到了很大的削弱，表明改进的控制策略可有效控制故障下直流母线电压的波动。

1.1Uds（p.u）10.90.80.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

a) 定子d轴电压动态过程

-0.7Ids（p.u）-0.8-0.9-10.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

b) 定子d轴电流动态过程

0.3Iqs（p.u）0.20.10-0.1-0.20.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

c) 定子q轴电流动态过程

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10.90.80.70.20.30.40.50.60.70.80.91t/sIdr（p.u）

d) 转子d轴电流动态过程

-0.2Iqr（p.u）-0.4-0.6-0.80.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

e) 转子q轴电流动态过程

10p（MW）980.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

f) 输出有功功率动态过程

2.5Q（MVar）21.510.500.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

g) 输出无功功率动态过程

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-0.6Te（p.u）-0.8-1t/s0.20.30.40.50.60.70.80.91

h) 电磁转矩动态过程

1160Vdc（V）115011400.20.30.40.50.60.70.80.91t/s

i) 直流母线电压动态过程

细线为传统控制策略；粗线为改进控制策略 图4-3电网电压骤降下传统与改进控制的对比仿真

4.4 本章小结

本章推导了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的双馈发电机的精确数学模型，在该精确模型的基础上，提出一种能消除定子磁链直流分量和负序分量的转子侧变换器LVRT控制策略。接着提出了一种基于网侧变换器输入功率与输出功率平衡的网侧变换器LVRT控制策略。最后通过Matlab/Simulink仿真，对比分析了电网电压跌落下传统控制策略与改进控制策略的仿真结果，证明了本文所提出的控制策略很有效。

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第5章 结论与展望

5.1 结论

本文围绕电网故障下双馈风力发电系统的控制策略展开了系统的研究，完成的主要工作和取得的研究成果如下：

（1）深入分析了双馈风电机组的运行原理和功率特性，建立了dq同步旋转坐标系下双馈风力发电机和网侧变换器的数学模型，在该数学模型的基础上，分别推导了传统的转子侧和网侧变换器的矢量控制策略。其中，转子侧变换器采用了定子电压定向的矢量控制，实现了定子有功功率和无功功率的独立解耦控制；网侧变换器也采用了定子（电网）电压定向的矢量控制，保证了直流母线电压和功率因数的恒定不变。

（2）利用空间矢量的研究方法，研究了电网故障时DFIG的电磁暂态响应，分析了因电网电压跌落引起转子过电流和直流母线电压波动的原因。分析得出转子过电流是由电网故障时转子电流励磁分量、旋转分量（及负序分量）的共同作用所引起的，直流母线电压的波动是由电网故障时网侧变换器输入功率与输出功率不平衡所引起的。基于Matlab/Simulink仿真软件创建了双馈风力发电系统的仿真模型，并对DFIG的低电压穿越过程进行了仿真实验，分析了仿真结果，总结了DFIG的传统控制策略在实现低电压穿越过程中的不足。

（3）推导了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的DFIG精确数学模型，在该精确模型的基础上，提出了电网电压跌落时DFIG系统的低电压穿越控制策略，包括转子侧和网侧控制策略。其中转子侧变换器低电压穿越控制策略通过抑制转子电流旋转分量及负序分量来消除电网故障时的定子磁链直流分量及负序分量；网侧变换器低电压穿越控制策略是基于网侧变换器输入功率与输出功率平衡而提出的，在电网故障时能及时跟踪转子侧输入瞬时功率的变化，将直流母线电压的波动限制在一定范围内。最后通过Matlab/Simulink仿真软件对本文所提出的控制策略进行了仿真实验，并与传统的变换器控制策略进行了对比，实验结果验证了本文所提出的控制策略能够有效性的抑制转子过电流和直流母线电压的波动。

5.2 展望

本文以双馈风力发电机组为研究对象，针对其电网故障下的控制策略展开研

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究，论文经过研究取得了一定的成果，然而本文存在很多不足，需要进一步的研究和改进：

（1）本文主要围绕对称电网故障下双馈风力发电机组的控制策略进行研究，而不对称电网故障下双馈风力发电机组的运行特性会有所不同，控制策略也会不一样，在以后的工作中，还需要对不对称电网故障下双馈风力发电机组的运行特性和控制策略做进一步的研究。

（2）本文研究的电网故障下双馈风力发电机组的控制策略只能对电压跌落程度较轻的情况起到良好的控制，对于电压跌落程度较严重下的控制策略有待于进一步的研究。

（3）针对文中所提出的电网故障下双馈风力发电机组的控制策略，本文只进行了仿真验证，在以后的工作中，还需对其进行物理实验验证，为所提出的控制策略的实际工程应用奠定基础。

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