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摘 要

双馈风力发电系统凭借其兼具变速运行和功率因数调节的独特优势，在风力发电中得到了越来越广泛的应用。交流励磁电源是实现其优势的重要部件，通过交流励磁电源调节转子中的电流以实现变速运行和功率因数调节。

发电系统的运行性能取决于交流励磁电源的控制策略，现主流的控制策略为矢量控制，在选定的同步旋转dq轴系上将转子电流分解为d轴电流和q轴电流，两个电流分别与有功功率和无功功率成正比，实现了有功、无功的解耦控制。本文的交流励磁电源为两电平电压型双PWM变换器，转子侧的控制策略是以定子电压定向的矢量控制策略，d轴电流控制有功，q轴电流控制无功。

随着风电厂规模变大，输送风电的输电线路也在增长，电网对并网点的电压支撑不足，对于发电系统来说，电网变为弱交流电网。在这种环境下，传统矢量控制策略的控制性能大大下降，发电系统出现连接点电压降落、转速失衡、直流环节电压下降等稳定性失衡问题。对于并网要求这是不允许的，需要对矢量控制策略进行改进，以解决上述问题。

本文通过对弱电网及传统矢量控制性质的深入了解，发现在弱电网下系统发生稳定性失衡的根本原因是有功功率和连接点电压存在耦合关系，矢量控制单单以转子d轴电流控制有功功率导致稳定性失衡。为此改进策略为在转子侧的控制系统中加入了有功-连接点电压解耦电路，将连接点电压对有功功率的影响转化为转子d轴电流，实现解耦控制。

最后在matlab中进行仿真，通过比较分析，验证了改进策略有效地解决了连接点电压降落、转速失衡、直流环节电压下降等稳定性失衡问题，而且有功功率输出增大。

关键词：双馈风力发电系统 矢量控制 弱电网 改进策略 matlab仿真

Abstract

Doubly-fed wind power generation system has been more and more widely used in wind power generation due to its unique advantages of both variable speed operation and power factor regulation.Ac excitation power supply is an important component to realize its advantages. The current in the rotor is regulated by ac excitation power supply to realize variable speed operation and power factor regulation.

The performance of the power system depends on the control strategy of ac excitation power supply, is now the mainstream of the control strategy for vector control, the selected admiral synchronous rotating dq shaft rotor current is decomposed into d axis, and q axis current two current is proportional to the active power and reactive power, realize the decoupling control of active and reactive power.The ac excitation power supply in this paper is a two-level voltage type dual PWM converter. The control strategy of the rotor side is a stator voltage oriented vector control strategy. The d-axis current controls active power and the q-axis current controls reactive power.

With the expansion of wind power plants, the transmission lines for wind power transmission are also growing, and the voltage support of the power grid to the junction network is insufficient. For the power generation system, the power grid becomes a weak ac grid.In such an environment, the control performance of the traditional vector control strategy is greatly reduced, and the stability of the power generation system is out of balance, such as the voltage drop at the connection point, the speed imbalance, and the voltage drop at the dc link.For the requirement of network connection this is not allowed, the vector control strategy needs to be improved to solve the above problems.

Based on an in-depth understanding of the properties of weak power grid and traditional vector control, it is found in this paper that the fundamental reason for the stability imbalance of the system under weak power grid is the coupling relationship between active power and connection point voltage. Vector control only controls active power with rotor d-axis current, resulting in the stability imbalance.Therefore, the improved strategy is to add an activity-connection voltage decoupling circuit to the control system on the rotor side, and convert the influence of connection voltage on active power into rotor d-axis current to realize decoupling control.

Finally, the simulation was carried out in matlab. Through comparative analysis, it was verified that the improved strategy effectively solved the stability imbalance problems such as voltage drop at the connection point, imbalance of rotating speed, voltage drop in the dc link, and the increase of active power output.

problems, proposes an improved vector control strategy, and carries out simulation in matlab, and through comparative analysis, proves the effectiveness of the proposed control strategy.

Key words: doubly-fed wind power system vector control weak grid improvement strategy matlab simulation。

目录

第1章 绪论1

1.1 风力发电发展现状1

1.2 风电弱电网接入的问题调研2

1.2.1 弱电网的定义2

1.2.2 现有控制下风机接入弱电网的稳定问题2

1.3 本文的主要研究内容3

第2章 连接弱交流电网的双馈风机系统的工作原理及控制策略5

2.1 双馈风机系统的工作原理5

2.1.1 工作原理5

2.1.2 变换器7

2.2 双馈风机系统的控制策略8

2.2.1 矢量控制8

2.2.2 双馈风机系统的矢量控制策略9

第3章 连接弱交流电网双馈风机系统数学建模11

3.1弱交流电网11

3.2 双馈感应发电机的数学模型11

3.3 控制策略的数学模型13

第4章 连接弱交流电网的双馈风机系统稳定性分析及改进16

4.1 连接弱交流电网的双馈风机稳定性问题16

4.2 矢量控制在弱交流电网下的缺陷17

4.3 改进思路及策略19

4.4 matlab仿真验证20

第5章 总结与展望22

5.1总结22

5.2展望23

致谢24

参考文献25

附录A27

第1章 绪论

1.1 风力发电发展现状

能源危机已成为全球性问题，而且传统能源会造成环境污染、温室效应等诸多问题，寻找清洁、可再生的新能源已成为重要课题。^[1]地球上有很多清洁、可再生的能源，风能便是其中一种，而且容量巨大。为了使风能能被人类有效地利用，风力发电技术应运而生。丹麦人在19世纪末研制出了世界上第一台风力发电机，在风力发电机的问世后不久，风力发电站也随之诞生，世界上第一座风力发电站于1891年建成。^[2]但当时的风力发电大多数都是离网型的，并没有并入电网。风力发电这种状况一直持续到1973年，在这一年，石油危机爆发，欧美国家开始大力发展风力发电。投入大量人力、物力和科研经费，研制现代化的风力发电机组，并于20世纪80年代建立起示范风电场，开创了风力并网发电的新局面。风力发电技术开始蓬勃发展，风能利用量及效率逐渐提高。

风力发电发展到今天，已成为全球能源发电的重要来源，截止到2018年，全球风力发电量已经达到了600GW以上，风能已成为世界各国重要的能量来源。^[3]而我国通过近些年来对风能的大力开发，风力发电装机容量更是跃居世界第一，达到了了221GW，拥有世界上最大的风电场。现装机容量中的主流机型主要有两种：直驱型永磁发电机组和双馈型异步发电机组。直驱型永磁发电机组属于恒速恒频型风力发电技术，这也是早期应用比较广泛的机型，但由于齿轮箱的磨损问题，它的缺点也日渐显现；双馈型异步发电机组属于变速恒频型风力发电技术，它不需要齿轮箱来保证输出电能频率的不变，因此转速可变，可最大效率地利用风能，其关键部位为变换器。随着近些年来，电力电子技术的快速发展及矢量控制技术的出现，双馈型异步风力发电机组凭借其独有的优势开始被大量装机。

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