电网电压不对称时双馈风机输出特性分析

KeywordsDFIG; unbalanced;dqcoordinates
第1章
1.1
1.1.
能源是人类经济社会生活不可缺少的一部分，随着社会的进步，全球能源需求量不断的增加，而非可再生能源如煤、石油的储量逐渐减少。此外人们大量使用煤炭、石油和天然气对大自然造成严重破坏，并且严重污染地球环境。环境恶化和能源危机使新能源的寻求成为亟待解决的问题。风是一种安全、清洁、充足，大多来自太阳能，属于能不断提供的可再生能源。全球风能储量巨大，任何国家和地区都有分布，通过调查估算可以转换为电能的风力资源约53万亿kWh每年，大约为20年后全球电力需求的两倍[1]。我国的风能资源十分丰富，可用来开发的风力资源的地区占全国面积的60%以上。然而我国风力发电的核心技术与创造能力与国外的风力发电技术相比，仍然有很大的差距，这制约着我国风电行业的大力发展。所以，研究风力发电机组，创造新的关键技术，对我国风力发电电产业的迅速发展，具有重要的经济价值和学术价值。
This paper studiedthe wind speed and wind turbine mathematical models,separatelystudied their output characteristics. Then use the coordinate transformation method to study the doubly-fed wind turbine’smathematical modelingof dq coordinate under normal circumstances. And studied itssimulation with Matlab software research it in normal circumstances the output characteristics.And through the literature to understand the imbalance calculation method, calculation module built imbalance. Studied at different imbalance, the doubly-fed wind generator speed, electromagnetic torque and stator current and other parameters of output characteristics.
学院：电气工程学院系级教学单位：电力工程系
学
号
090103030124
学生
姓名
DDD
专 业
班 级
0D9电力3班
题
目
题目名称
电网电压不对称时双馈风机输出特性分析
题目性质
1.理工类：工程设计（）；工程技术实验研究型（））；3.外语类（）；4.艺术类（）。
最后，用对称分量法研究了不平衡条件下，双馈风机的数学模型，建立了正反转同步旋转坐标系中，分别由各自正，负序分量表示的DFIG电压，和磁链方程。在Matlab现有的风力发电模块中加入不平衡，研究了与电网连接的双馈风机在不平衡情况下的输出特性。
关键词双馈风力发电机；不平衡；dq坐标
Abstract
With the double-fed wind turbine installed capacityexpansionandthe quality ofwind power generation requirements becomemore stringent.The study ofdoubly-fed wind power generation systemhas changed from the control of normal circumstances to the study of unbalance grid voltage . In this paper ,the case of DFIG unbalanced output characteristics as the main object of study,modeling and simulation the main modules of the wind turbine, analysis a variety of DFIG under unbalanced output characteristics ,and obtained some meaningful results.
当电网电压不平衡时，通过变压器在DFIG机端产生一定的不平衡电压，此时电网电压和电机定子电压包含负序分量，会对双馈风力发电系统的正常运行造成影响。如果风力发电的控制系统未考虑电压不平衡的情况，不平衡的定子电压将会引起定子电流的不平衡、转子电流畸变，导致定子绕组和转子绕组发热，，电磁转矩发生脉动，从而引发机械振动，对机械设备的持续稳定运行造成影响，同时电机定子输出的有功功率和无功功率中也都包含脉动。电网电压不平衡条件下，基于电网电压平衡设计的电网侧变流器的交流侧包含负序分量，直流母线电压出现波动，影响直流母线电容的寿命。双馈风力发电系统输向电网的总有功功率和无功功率也包含脉动，会给整个风力发电系统带来损耗增大、发热过多、过压、过流等问题。
1.1.2
目前DFIG风电机组的变速恒频运行主要是通过对转子侧背靠背变流器采用dq轴解耦控制来实现的。背靠背变流器由电网侧变流器(Grid Side Converter，简称GSC)和电机转子侧变流器(Machine Side Converter，简称MSC)构成，其中电网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制来实现对直流母线电压和电网电流的，电机侧变流器采用定子磁链定向(Stator Flux Oriented，简称SFO)或定子电压定向(Stator Voltage Oriented，简称SVO)的矢量控制实现对双馈电机定子输出有功功率、无功功率的调节。这些传统矢量控制均假设电网电压理想，即三相电网电压幅值相等，相位互差120。。电机转子侧变流器的控制以双馈电机数学模型为依据建立，电网侧变流器的控制以电压型PWM变流器的数学模型建立，在电网电压平衡时，采用传统矢量控制方案可使双馈风力发电系统获得良好的动态和稳态性能；但当电网电压不平衡时，转统矢量控制的有效性受到影响，必须予以修正。
目标：给出理论分析和Matlab仿真分析结果。
基
本
要
求
1．遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；
2．独立完成设计任务，培养基本的科研能力；
3．设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸一张；英文资料翻译不少于5千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；
论文撰写
答辩
指导教师：DDD
职称：教授2012年12月15日
系级教学单位审批：
年 月 日
摘要
随着双馈风力发电机组装机容量的扩大和电网对风力发电并网的要求愈加严格，双馈风力发电系统的研究由电网电压正常情况下的并网运行控制，转向电网电压不平衡下的运行研究。本文以双馈风机不平衡情况下的输出特性为主要研究对象，对风力发电机主要模块进行了建模仿真，分析了各种不平衡度下双馈风机的输出特性，得到了一些具有实际意义的成果。
4.完成相关的实验，并反映在论文中。
参
考
资
料
1.邓雅．不平衡电网电压下双馈风力发电系统变流器控制策略研究。北京：北京交通大学
2.J．B．Hu，Y．K．He．Modeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditions．Electric Power Systems Research，2009，79：273-281
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
设计内容：电网电压平衡条件下，双馈异步风力发电系统的数学模型和控制策略；建立电网电压不平衡条件下双馈异步风力发电机系统的模型；采用电网电压不平衡条件下DFIG的数学模型，选取适当的控制目标，设计基于PR谐振调节器不平衡控制策略；研究电网电压不平衡度大小对双馈风电机组输出特性的影响。
1.2 国内外研究动态
1.2.1
风力发电简单来说就是通过风轮机及其控制系统将风能转化为机械能，通过发电机及其控制系统将机械能转化为电能的过程。以风力发电机运行方式作为依据将风力发电系统分为变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）风力发电和恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）风力发电[2]。
变速恒频风力发电系统可按照捕获最大风能的要求，在风速变化时实时调节风轮机的转速，使风轮机在大部分情况下都能按照最佳效率运行，从而提高风力发电机组的运行效率，变速风力发电系统捕获风能的能力比定速恒频风力发电系多出28%[3]，并且减小了风轮机的机械应力。此外变速恒频风力发电技术还可以实现电网与风电机组间的柔性连接，使并网操作更容易实现。
当前文献所研究的主要是在正常平衡电网电压下的理论，对于不平衡电网电压下研究的还比较少。而在实际电网中风力发电机一般分布在一些偏远地区，这些地区一般处在电网线路的末端，电网通常比较薄弱，与骨干电网相距较远，且偏远地区周边用电设备情况相当复杂，在风电场与电网的公共连接点经常出现电网电压不平衡的情况，同时由于电网各相阻抗的不对称性、线路绝缘老化、线路破损等原因，会导致风力发电机与电网的公共连接点出现不平衡现象。
Finally, with the symmetrical component method the mathematical model of DFIG was studied under unbalanced conditions,thenestablished Reversible synchronous rotating coordinate system, respectively, by the respective positive and negative sequence component represented DFIG voltage and flux equations. In Matlab existing wind power modules added unbalanced studied grid-connected wind turbine in the case of unbalanced output characteristics.
本科毕业设计（论文）
电网电压不对称时双馈风机输出特性分析
DDD
燕 山 大 学
2013年6月
本科毕业设计（论文）
电网电压不对称时双馈风机输出特性分析
学院（系）：电气工程学院
专业：电力系统及其自动化
学生姓名：DDD
学号：090103030124
指导教师：EEE
答辩日期：2013年6月23日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
目前新安装的风力发电系统中，大多采用基于双馈感应电机的双馈风力发电系统以及基于永磁同步电机的直驱型风力发电系统。双馈风力发电系统通过背靠背式PWM变流器控制双馈感应发电机的运行状态，一方面，由于双馈感应电机定、转子之间的电磁关系，双馈感应电机转子侧变流器只需控制转差功率就可以调节双馈感应电机的转速，实现对风能的最大捕获，与直驱型风力发电系统相比，双馈风力发电系统的变流器容量大大减小：另一方面，通过改变电机侧变流器输出的转子电流幅值和相位来分别调节双馈电机定子侧输出的有功功率和无功功率，从而实现双馈风力发电系统的单位功率因数运行。双馈弄变速恒频风力发电系统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，是一种优化的具有良好应用前景的风力发电解决方案。
3.相关国内外文献
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
查阅相关文献；建立风速模型和风力机模型；完成开题报告和文献综述。
研究电网电压不平衡条件下DFIG、网侧变换器和转子侧变换器的等效数学模型
建立网侧和转子侧的变换器的数学模型
选取适当的控制目标，研究协调控制下双馈风力发电系统的输出特性。
首先研究了风速和风力机的数学模型，分别研究了它们的输出特性。然后利用坐标变换的方法研究了双馈风力发电机正常情况下的dq坐标下的数学建模,并通过Matlab仿真软件研究了它在正常情况下的输出特性。又通过文献了解了不平衡度的计算方法，搭建了不平衡度计算模块。研究了在不同的不平衡度下，双馈风力发电机转速，电磁转矩，以及定子电流等参数的输出特性。