论文总字数：26773字

摘 要

现在，以化石能源为主的能源应用模式逐渐给人们带来环境污染的问题，这些问题正在损害人们的健康，更致命的是这些化石能源终将被人们开采殆尽。没有足够规模的能源支撑，人类文明将回到刀耕火种的地步。

以核裂变发电获取大量能源的方式因苏联、日本的核泄漏惨剧逐渐引起人们的怀疑，一些西方发达国家考虑放弃核电，因为要承认人类在工程上是一定会犯致命错误的，人类目前为止对核泄漏的辐射污染是没有解决办法的。

应用天阳能电池板发电是一种清洁能源方式，但是它的缺点也较为明显：发电效率不高，生产过程耗能较大，使用寿命不理想，这些都在一定程度上制约了它在当下全面取代常规化石能源发电模式这条路上的发展步伐。

风力发电是另一种清洁能源，取之不尽，用之不竭，没有发电过程没有排放，没有化学污染，它逐渐成为各国发展的重点，但是风力发电也有缺点：风力大小不稳定，发出来的电能若不加以变换控制，几乎不能使用，更不可能并上更大的电网。双馈式风力发电技术当下成为各富有危机感国家重点研究的目标，本文将介绍双馈式风力发电机的原理和控制；在电网电压严重跌落时，双馈发电机的特性；双馈发电机穿越电网电压跌落故障时的各种现有的、可能有用的解决办法以及未来技术发展的展望。

关键词：双馈型电机；电压跌落；撬棒；背靠背变流器；三相短路；超级电容；电动汽车；地下超级冰库热库；备用电网

目录

第1章 绪论 2

1.1背景 2

1.1.1风力发电发展现况 2

1.1.2风力发电系统 3

1.1.2双馈式风力发电机发展状况 3

第2章 双馈式风力发电机 3

2.1风力发电原理 3

2.2双馈风力发电原理 5

2.2.1双PWM变换器 5

2.3双馈风力发电全部数学模型 6

第3章 双馈风力发电机在电压跌落的分析 8

3.1 引言 8

3.2 电压跌落 8

3.2.1定义 8

3.2.2双馈电机正常情况运行 9

3.2.3转子感应电动势 10

3.2.4单相电压跌落 11

3.2.4三相电压跌落 12

3.3电压跌落的原因 13

第4章 双馈式风力发电机组在电网电压跌落时穿越 14

4.1撬棒技术 14

4.1.1三相电压跌落的响应特性 15

4.2大电容系统快速吸收电压跌落冲击电流 18

4.2.1 超级电容 18

4.2.2采用超级电容的双馈风电机组系统控制策略[10] 18

第5章 减少电网电压发生跌落的办法 25

5.1 引言 25

5.2 电力消费布局的合理规划 25

5.2.1工业用电系统与居民用电系统 26

5.3大规模微电网给予电网电压跌落的支撑 27

5.3.1高能电池技术的成熟发展 27

5.3.2 电动汽车铝电池并网支撑电网电压严重跌落 27

5.3.3以家庭为单位各自配备大型电池以存储电能可以防不测 28

5.4 改变低能效的用电方式以减少电网负荷 29

5.4.1 依靠地下超级冰库、热库来彻底解决居民夏季降温，冬季取暖问题 29

5.4.2城市可以集中供冷，供暖，其他居民怎么办？ 32

5.4.3对电力系统合理加装可按需管理的无功补偿电容设备 32

5.5备用电网对电网电压严重跌落的帮助 32

5.5.1 双馈式风力发电机组遭遇电网电压严重跌落切换备用一级电网 32

5.5.2双馈式风力发电机组遭遇电网电压严重跌落切换备用二级电网 33

第1章 绪论

1.1背景

能源一直在充当着社会发展的重要基础，从刀耕火种，到煤炭蒸汽动力的时代，再到后来电力技术的发展，才发展到今天现代化的社会，但是化石能源的逐渐枯竭迫使人们必须寻找可持续、无污染的清洁能源方式。

风能是现在非常有开发前景的能源方式，也是绿色无污染的可持续能源。然而，天然气、石油、煤炭这些属于化石类能源范畴，因为其形成过程长达千万年之久，所以归为不可再生能源，在我们漫长的使用开发的过程中，逐渐研究发现，化石能源的开采、运输、储存、使用中都会对大气、环境污染甚至生态造成不可避免的破坏，这种方式不利于人类的生存 。但是诸如海洋能、风动能、太阳光能、生物质能等都可以再生，而且几乎绿色无污染，最重要的是储藏量极其巨大。

我们使用风能已经很有一段历史了，虽然不能向像现在电能一样方便，但是所起作用在当时已经很大。譬如荷兰的风车，中国明代的郑和下西洋的大型船队上的巨大风帆，还有我们的风车汲水灌溉用来帮助农业生产等等。包括现代，在我国东南沿海的岛屿上的居民，以及我国西北戈壁草原边民，不方便架设长途电能供应时，这些极少数居民只能用太阳能发电板，或者小型风力发电机，自行发电储存，以备利用，但是这些风力发电机发出的电能质量较差，电压随着风力大小而变得忽高忽低，有时甚至将用电设备烧毁。但是有种比没有的好，可是迫于能源危机，我们需要尽早解决风力发电电能质量不高的问题，以及研究，探讨风力发电过程中的一系列不稳定不安全因素，并最终能够解决它们，让我们早日用上清洁、安全、稳定、可持续的电能。

早年，欧美早就认识到发展清洁能源的重要性、紧迫性。所以经过这么多年的投入，研究。丹麦、德国和西班牙这些国家逐渐走在世界风力发电技术的前列。

1.1.1风力发电发展现况

地球上可利用的风能大约为地球上可以开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量分布较广，主要在我国北部，沿海，以及整个南海区域。随着全球能源危机的逼迫，风能市场在迅猛地发展。这些年，各国风力发电装机容量在以25%的速度每年增长。有研究机构估计我们的将来的十年里，风力发电规模每年将会达到20%的增长。

我国正规化的风力发电研究应用源于本世纪七十年代。经过长时间的发展，虽然跟世界发电技术强国有明显差距，也逐渐有了很大的进步，但是在关键的技术方面，很多都得严重依赖进口，这些因素对我国风力发电的发展造成一定的阻碍。所以我们需要着力研究风力发电技术，争取早日摆脱进口，自主研发风力发电核心技术，为我国能源安全做出应有的努力。为早日解决我国化石能源造成的严重环境污染问题而努力。

风力发电是利用风能来发电，风力发电包含两个能量转换过程:

1风能机械能的风力机;

2机械能电能的风力机。

当下常见的有三叶片、水平轴风力机模式，它们的功率控制方法如下：

1定桨距失速调节型风力发电机组

定桨距是指桨叶、轮毅的连接是不变的，桨距角度保持一定，那么桨叶的迎风角度不可以随着风速变化而变化。

2变桨距调节型风力发电机组

变桨距调节型风力发电机组原理是在定桨距风力机的原有结构上加装桨距调节构件，让叶片攻角随着风速变化来调节，从而对功率进行调节，有利于更好利用风能，可提高利用效率。

3主动失速调节型风力发电机组

主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风

力发电机组相结合，具备被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统用的是变桨距。现今，认为主动失速调节型风力发电机组是最好的。

1.1.2风力发电系统

(1)定速恒频风力发电系统

(2)变速恒频风力发电系统

1.1.2双馈式风力发电机发展状况

双馈式风力发电机属于变速恒频风力发电系统范畴。现在各国风力发电技术相比以前有了很大的进步，双馈发电机构成的交流励磁变速恒频风力发电系统是其中之一。双馈异步发电机具有有功、无功功率独立调节能力，可实现最大

风能追踪的变速恒频运行[1]。可以实现发电机和电力系统的柔性连接[2]。因为双馈风力发电机系统具备很多优点，这种变速恒频风力发电系统已经成为了各国研究热门方向。

第2章 双馈式风力发电机

2.1风力发电原理

风力发电技术可以分为两类：恒速恒频风力发电机系统、变速恒频风力发电机系统。

我们知道普通发电机，转速越快，频率越大。所以恒速恒频发电机就是为了得到稳定频率的电能可以使用，所以在技术上要求发电机转速恒定。这种发电机受风力变化影响较大，风能利用率较低，风力较大时，齿轮咬合部位机械应力较大，磨损会比较严重，长期维护较为麻烦，较好风能不能很好利用。

变速恒频风力发电机技术则是发电机转速在一定范围内变化，但是输出电能频率不变。这得益于多年来我们在控制领域的技术进步，让我们可以通过控制发电机转子电流的相位、频率、大小来调控转子转速的大小，这样就可以很明显地提高风能利用率。还可以通过技术手段调节有功无功，达到抑制谐波的目的，这跟更进一步提升效率。这下年来，变速恒频发电技术发展迅猛，逐渐成为各地研究的热点。大力开发可再生洁净能源的分布式发电技术是国家最新科技发展战略[3]。

变速恒频发电系统又可以细分为：

1异步发电机变速恒频风力发电系统

图2-1异步发电机变速恒频风力发电

2交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统

图2-2交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电

3无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统（还有有刷双馈发电机）

图2-3无刷双馈发电机变速恒频风力发电

4永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统

图2-4永磁同步发电机变速恒频风力发电

5开关磁阻发电机变速恒频风力发电系统

图2-5开关磁阻发电机变速恒频风力发电

2.2双馈风力发电原理

双馈风力发电系统其实由双馈发电机和俗称的“背靠背变换器”组成。“背靠背变流器”是由发电机转子侧变换器和电网侧变换器组成，里面用大容量的电容器连接。在网侧变换器有滤波器，可以消除变换器造成的谐波，同时在转子侧变换器的滤波器，也是用来抑制谐波。

图2-6 双馈发电机电路简略原理图

2.2.1双PWM变换器

通用变频器采用二极管整流IGBT逆变的电路，让输出电压变成余弦，可是这样的方法不可以让电能正反向流通，所以它不能起到双馈风电机的励磁电源的作用。

电网向PWM变换器输送电能时，这是它工作在整流；电网吸收PWM变换器流过来的能量时，这是它工作在有源逆变。所以PWM换流器，既可整流，还能逆变，它的功率因数、网侧电流皆可以被控制。运用两个背靠背PWM变换器，构成为双馈电机的转子交流励磁变换器，我们通常把在转子一边的变换器称谓转子侧变换器，直接连在电网一端的变流器称之为网侧变流器。

图2-7 双PWM变流器电路图

2.3双馈风力发电全部数学模型

图2-6 双馈发电机统一数学模型

通过前面对各个部分的建模，综合可得变速恒频风力发电双馈发电系统的统一数学模型:

其中

以上经过空间矢量角度着手，并借助调制比、相位差来解释，使我们得出双馈风电机在的统一数学模型，还有它的控制特点：高阶数、强耦合的、多种变量参数、非线性。我们常用的模拟线性控制的方式难以达到理想控制效果，那么就选择其他非线性方式。

将以上的矢量数学模型分别转换为d,q坐标上的量，那么有：

有：

双馈风电机运作时转子侧电流较高，那么转子侧变流器电能损失就比较多，由上一个公式来体现转子侧功率影响直流侧电压的程度不太很准确合理，那么的改。由背靠背变换器直流侧模型我们能够知道：

为了换算的方便，转子侧的功率被代替为它的直流侧功率，

所以得到变换后的:

最终由以下四组关系公式可得坐标系d,q上的数学模型：

第3章 双馈风力发电机在电压跌落的分析

3.1 引言

双馈式风力发电机区别于其他类型的电机的是，它可以通过容量不大的电力电子换流器件实现风力发电机的一定区域的变速运行，并且保证恒频输出电能。它的转子侧连接有变流器，借助这个变流器进行励磁，由于双馈风力发电在转差可调范围较窄，所以转子励磁实现较为理想。由于能源危机越来越明显，致使风力发电机组装机容量飞速增长，人们寄希望于风电替代化石能源转化的电能，煤电经过很多年的发展应用，技术十分成熟，低电压穿越具备各种手段进行控制，但新出现的双馈式风力发电机组的主要缺陷逐渐被人认识，它电网的波动非常敏感。例如单相、多相的电压跌落都可能对变流器产生严重伤害，在没有必要的保护装置的情况下，电网电压跌落可以导致转子绕组产生过大感应电动势以及过电流，它们将对转子侧的换流器产生致命毁伤，特别严重的电压跌落可以导致转子侧变流器饱和，我们从自动控制原理的角度就可以知道，只有动态电路才可以控制，转子侧变流器饱和将控制不了电机，那么这样的风力发电技术不可能承担主要的电力来源的重任。

3.2 电压跌落

3.2.1定义

电压跌落就是电压在幅值上的减少，一般持续周期为几十、几百ms，甚至为一个工频周期到1s。电压的跌落是极其常见的电力网络故障，在工业用电领域，每年在变电站的进线端口都会发生几次，而设备端口发生的几率一般会更大。特别是电网电能质量不够高的，诸如发展中国家，电压跌落故障出现频率自然会相对更高。

不同的设备对电压跌落的影响不一。例如利用电能经行累加性作用的电加热设备，电热水器、电热水壶、电饭煲、白炽灯等，还有电能转化后，用电设备有强大惯性持续的用电设备，高铁、动车、武汉市城市触网电车等。以上类型设备显然具备在故障发生全程不用断网，继续工作的能力。但是，部分没有足够内部储电的电力电子设备，或不能持续工作，有的可以扛过严重但是短暂的电压跌落，可有的只能扛过长时间但是不严重的电压跌落。

在的标准电压的正负10%范围内浮动的电压是电网的常态。单相电压、多相电压的瞬间减小，电压又能在很短时间内迅速恢复为标准值时的情况叫做电压跌落现象。当严重电压跌落时，譬如跌落后电压仅为标准电压的1%的情况，短时间还能自行恢复的，就被称为暂时中断。可是，电压跌落后，电压还有90%，甚至90%以上的状况，同样可以自行恢复，我们就认为这是正常的，这也属于电压跌落，可我们希望双馈式风力发电机组千万不要在这种情况下解列电网，因为他可能为电网中较大的电力负荷突然加入所造成的，并不属于故障，这个在后面再讲。

其实，电压跌落大致分成两类：一种是不对称跌落，也就是a、b、c三相电压跌落的情况不一致，比如只有a相负荷不平衡运行或者接地短路（跌落），b、c相电压正常，还可以是a、b两相接地短路，c相正常；第二种为a、b、c三相以相同情况跌落，比如三相短路、三相同时接地。

根据电压跌落的情况，我们以图3-2-1[16]来说明。

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