摘 要

随着我国对风力发电技术的不断研究，风机输出谐波问题也受到越来越多的重视。详细了解双馈风力发电机的谐波输出特性以及对影响因素的分析研究，对改善电能质量具有重大意义。

介绍了双馈风力发电机谐波输出来源以及特性，在此基础上对定子侧变流器与转子侧变流器进行仿真建模并分析谐波输出特性。讨论了在双馈风力发电机运行过程中谐波输出的影响因素，观察SVPWM调制对谐波输出的影响，改变双馈风机的输出功率后分析谐波的输出，改变控制参数对谐波的影响，并用一台1.5MW的双馈风力发电机进行了仿真验证。根据仿真结果表明，功率增大会增加谐波的输出量，在测试环境下无法有效判断控制参数变化对谐波输出的影响。

关键词: 双馈风力发电机；谐波；SVPWM调制；影响因素

Abstract

With the continuous research of wind power generation technology in China, more and more attention has been paid to the harmonic output of wind turbine. It is of great significance to understand the harmonic output characteristics of doubly fed wind turbine and analyze the influencing factors.

The harmonic output source and characteristics of doubly fed wind turbine are introduced. Based on this, the stator side converter and rotor side converter are modeled and analyzed. This paper discusses the influence factors of harmonic output in the operation of doubly fed wind turbine, observes the influence of SVPWM modulation on harmonic output, analyzes the harmonic output after changing the output power of doubly fed wind turbine, and changes the control parameters on the influence of harmonic, and uses a 1.5MW doubly fed wind turbine for simulation verification. According to the simulation results, the increase of power will increase the output of harmonic, and the influence of the change of control parameters on harmonic output cannot be effectively judged in the test environment.

Key Words: Doubly fed wind turbine ; Harmonic; Space Vector Pulse Width Modulation ; Influence factor

目录

摘 要 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

第2章 双馈风力发电机组谐波产生原理 3

2.1双馈风力发电基本原理 3

2.1.1双馈风力发电机组基本结构 3

2.1.2双馈风力发电机组控制方法 5

2.2双馈风力发电机组谐波产生原理 6

2.2.1谐波产生原理 6

2.2.2间谐波产生原理 6

2.3双馈风力发电机组谐波特性分析 8

2.4本章小结 9

第3章 风力发电机组谐波特性影响因素研究 10

3.1电网侧变流器谐波建模与特性分析 10

3.2转子侧变流器谐波建模与特性分析 13

3.3本章小结 17

第4章 基于实测数据的双馈风电机组谐波特性分析 18

4.1 SVPWM调制对输出谐波的影响 20

4.2功率变化对变流器输出谐波的影响 22

4.3控制参数变化对变流器输出谐波的影响 22

4.4本章小结 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

由于近年来石油、煤炭等不可再生资源的急剧减少以及全球环境污染问题的日益严重，低碳环保、可持续发展逐渐被人们所重视^[1-3]。风能、太阳能等可再生资源的利用被众多国家所重视。其资源丰富、来源广泛，因此利用风能发电具有良好的应用前景^{[4, 5]}。

在目前的科学技术下，广泛使用的风力发电机大概分为三种：恒频恒速风力发电机^[6]、双馈风力发电机^[7]和变速风力发电机驱动交流（同步）发电机^{[8, 9]}。其中双馈风力发电机控制相对简单、容量大、适用范围广^{[2, 10]}，因此得到大量学者的重点研究。

本设计主要研究双馈风力发电机组，其定子侧变流器直接接入电网，转子侧变流器通过变频器与电网连接，控制方式比较简单，可以自动调节转子绕组电源参数，以恒压或恒功率方式运行，可以更好的适用于风速多变的地区。但是双馈风力发电机采用了双向背靠背式变流器，这些器件会产生大量的谐波流入电网，对电网电能质量产生严重的危害^{[7, 9, 12]}。因此对双馈风力发电机谐波输出特性及影响因素的分析是非常必要的。

谐波问题一直是发电机并网需要特殊关注的问题，大量的谐波会对电网产生严重的危害，比如影响电能质量，使电气设备运转状况不良产生磨损，提高设备的磨损程度等^[13]。因此在双馈电机并网前进行谐波特性的分析，可以有效地针对谐波源进行降谐波的操作，在电力系统出现问题时也可以利用谐波频谱有针对的进行问题排查^{[13, 14]}。

1.2 国内外研究现状

风力发电技术最早在国外引起重视，因此电能质量问题也是国外领先研究与发展^[15]。随着电力电子技术的发展，风能发电也应用了相关的技术手段，目前晶体管换流技术已经被普遍应用^{[16, 17]}。而随着这些技术手段的不断发展与应用，大量的电力电子装置也带来了对电能质量的挑战。因此谐波问题在早期就已经引起了大量国内外学者的广泛关注^{[13, 14, 18]}。国外的研究成果包括以下几个方面：（1）谐波模型的建立、（2）风电场简化（等效网络）、（3）谐波分析方法和相关技术的问题、（4）谐波控制策略与滤波器设计等。

国内的风力发电技术相较于国外起步较晚，研究初期，国内学者的研究方向主要是对风电机组的基本控制研究，研究基础相对薄弱。而随着我国综合实力的不断发展，全国电网的不断建设，国家对风力发电技术方面给予了越来越多的关注，风力发电技术的发展突飞猛进，现在的并网装机容量已经位于世界第一。因此，越来越多的电能质量问题也成为了挑战，是现代众多相关学者的重要研究目标。国内的学者研究方向大概分为两类：（1）DFIG风机的谐波分析^[19]、（2）PMSG风机的谐波分析^[20]。总体上来看，我国现在对风力发电机的谐波特性多注重于单台谐波分析，对风电场级别的谐波问题和风场并网的谐波研究成果并不丰富^{[20, 21]}。

第2章 双馈风力发电机组谐波产生原理

在双馈风力发电机处于工作状态时，变流器将电能输送至电网或本地负荷。由于变流器中包含大量电力电子器件，在网络谐振作用下其产生的一系列谐波谐振问题将对电网产生巨大的危害。因此本章将对双馈风力发电机结构和谐波产生原理及输出特性进行分析。

2.1双馈风力发电基本原理

2.1.1双馈风力发电机组基本结构

双馈风力发电机主要由风轮机、异步发电机、定子侧与转子侧变流器、滤波器以及控制系统组成整体结构如图2.1所示。