摘 要

风能作为一种清洁可靠的能源,己经成为继水电之后的第二大可再生能源。目前,风力发电技术日渐成熟,风电并网问题成为了风电技术中的热点与难点。本文将围绕风力发电并网系统中的并网变换器部分展开理论研究和仿真工作。在分析并网变换器理论的基础上,对相关控制策略进行了说明,建立了并网变换器的模型，实现了基于MATLAB平台的仿真,最后分析了弱电网条件下变换器并网的动态特性。

并网变换器的主电路是实现控制功能的基础。本文从功率器件入手,对主回路和控制回路的结构、原理分块进行了详细介绍,本文的仿真研究证明,主回路的通用性和可靠性很好。并网变换器的控制策略的选用是实现有效并网的关键。本文介绍了基本的PWM调制技术与电压相位检测技术,以及直接电流控制技术，为后续控制策略的展开打下了基础。

并网变换器的工作原理和模型是并网变换器的基础。本文针对全功率风机并网变换器的工作原理进行了分析,分别建立了电流控制内环和直流电压外环的传递函数模型,以及锁相环的传递模型。接着给出了全功率风机并网变换器的仿真模型。

最后，本文分析了弱电网条件下全功率风机并网变换器并网时的动态特性，给出了不同工况以及不同电网强度下的动态响应波形图，并且简单分析了不同控制参数时的动态响应。

关键词：风力发电；并网变换器；弱电网；建模；动态分析

Abstract

Wind power is a kind of reliable clean energy, which has become the second-largest renewable energy follow the hydro-power. At present, the technology of wind power generation becomes gradually mature. The study on the grid-connected converter for wind power generation has become the hot and difficult topic. So the article mainly talked about the theoretical research and experiment of the grid-connected converter for wind power generation. By analyzing the theory of the grid-connected converter, the simulation and experiment on the control strategy of the grid-connected converter were made, and the model of the converter was built on the stage of MATLAB, then the dynamic performances of grid-connected converter connected to weak power system were studied.

Power circuit of the grid-connected converter is the base of realizing the control function of system. The paper designed the power circuit and the control circuit and analyzed the principle and structure of the power circuit. The commonality and reliability of the power circuit is very good. The control strategy of the grid-connected converter is the key to realize power connection. The basic PWM technology and voltage phase detection technology were introduced, as well as the direct current control strategy, which is the base of the following study of the control system.

The working principle and model was the foundation of the grid-connected converter’s control. The article analyzed the principle of the grid-connected converter of the fully-rated wind generation and built the model of current control loop, DC voltage control loop, and PLL loop. Then the simulation model of grid-connected converter of fully-rated wind generation was given.

Finally, the article analyzed the dynamic responses of the converter connected to a weak power system, and their different performances under different operating conditions and different strength of power system. Also, simple analyze of dynamic performances under changing control parameters were made.

Keywords：Wind power；Grid-connected converter；Weak power system；Model building；Dynamic analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景及选题意义 1

1.1.1 风电发展 1

1.1.2 弱电网 2

1.2 国内外研究现状分析 3

1.2.1 风机并网变换器的控制策略 3

1.2.2 风机并网变换器的数学模型 4

1.3 本文研究思路及内容 9

第2章 全功率风机并网变换器的工作原理 11

2.1 引言 11

2.2 风机并网变换器的主电路 11

2.3 风机并网变换器的控制策略 14

2.4 小结 15

第3章 全功率风机并网变换器建模 16

3.1 引言 16

3.2 风机并网变换器的模型 16

3.2.1 电流控制环模型 16

3.2.2 直流电压控制环模型 19

3.2.3 锁相环模型 21

3.3 全功率风机并网变换器仿真模型 25

3.3.1 双环控制仿真模型 25

3.3.2 锁相环模型 25

3.4 小结 26

第4章 弱电网条件下变换器并网动态特性分析 27

4.1 引言 27

4.2 改变参数下的动态响应 27

4.2.1 不同工况下的动态响应 27

4.2.2 不同电网强度条件下的动态响应 28

4.2.3 不同控制参数下的动态响应 28

4.3 小结 30

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及选题意义

1.1.1 风电发展

随着经济社会的不断发展,世界各国对能源的需求呈持续增长趋势。风能作为一种清洁的可再生能源,引起了世界各国高度重视。自1990年以来,风力发电技术得到了迅猛飞速发展,全球风力发电系统的累计装机容量平均每年会增长超过20%^[1]。根据世界风能委员会的统计数据,仅在2006年,全球风力发电能力就比上年增长了25.61%,将近74.223GW;到2010年,预计全球风能发电能力将再翻一番,达149.5GW。在绿色和平组织和欧洲风能协会签署的《风力12》报告^[2]中指出,预估2020年全球的风力发电装机容量将达到1200GW,风力发电量将占全球总发电量的12%。由此可见,风能早已不再是一种可有可无的补充能源,风力发电作为最具有全球商业化发展前景的一种新兴产业,已成为了解决世界能源问题不可或缺的中坚力量。

目前,随着我国风电市场的扩大,国内的风电产业也随之迅速发展,各方面技术和能力显著增强,相关科研人员也开展了广泛的研究工作。然而,我们必须看到,我国在风力发电并网变流技术发展领域和世界其他风电强国之间存在较大差距。我国在目前主流的兆瓦级风力发电系统中,变流机组的选择仍依赖进口。如何打破国外企业在兆瓦级及以上的风电机组在全球市场中的垄断格局,同时在变流器设计与控制技术上掌握自主知识产权,已成为我国风电产业的进一步发展急需解决的重要问题^[3]。