第一章 绪论
常规化石能源的开发利用在人类社会生产力提升、知识增长、科技进步、社会发展以及人类生活水平的提升等方面起到了重要的支撑作用，与此同时，常规化石能源的大规模开发利用也正在破坏地球环境的平衡，威胁着人类的生存和发展[1]。即便如此，地球上可供人类使用的化石燃料能源也是有限的且不可再生的。根据联合国能源署报告，按可开采储量预计，煤炭资源可供人类使用 200 年、天然气资源可供人类使用 50 年、石油资源可用 30 年[2]，就是说如果不加控制，人类即将在短短数百年中把地球在若干亿年中储藏起来的化石能源消耗殆尽，同时对人类自身的生存环境造成破坏。能源问题是当今人类面临的一个重大问题。2015 年在法国巴黎召开的全球气候变化大会，并通过了《巴黎协议》，正是当今人类社会所面临的能源环境问题的真实写照。寻求新能源的开发与利用的已经是迫在眉睫。对再生能源的开发和利用无疑是最好的选择，比如太阳能、风能、潮汐能等。其中，风能在可再生能源开发和利用的发展过程中，成长迅速。相对于其他新能源，风能开发成本较低、技术成熟、可靠性较高[3]。风能开发和利用潜力巨大，近年来备受关注。
1.1 课题研究背景
可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能等，近年来该产业发展迅速，成为了一种新型能源产业，前景十分广阔[4]。在可再生能源中，据统计风能总量十分可观，全球的风能约为 1300 亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。人类社会的进步使得风电成为风能开发利用的有效手段和主要形式。如今，风电不仅在能源安全和能源供应方面扮演着重要作用，也是支撑经济持续增长，减缓大气污染和温室气体排放的重要手段。美国、德国、法国、丹麦等发达国家都对发展风能投入了高度的关注，积极出台并实施促进风电发展的相关政策、措施，极大地推动了世界风电产业的发展[5]。随着风电的快速发展，由于受到中国和印度市场的拉动，亚洲市场成为了全球风电领域的焦点，近年来新增装机稳居全球榜首。全球风能理事会（GWEC）在 2015 年发布信息显示，全球风电在 2015 年累计装机容量将达到 432.419GW，相对于 2011 年，全球累计装机容量几乎扩大了一倍，其中新增装机容量达到 63.013GW，并显示出快速增长的势头[6]。前不久， GWEC 在布鲁塞尔发布了《全球风电统计数据 2016》：全球风电市场在 2016 年新增容量超过了 54.6GW，全球累计容量已经达到了 486.7GW [7]。图 1.1，1.2 分别表示出了从 2001 年到 2016 年全球年新增装机容量和累计装机容量，可见，风电产业发展势头持续良好。图 1.3 表示出了 2016 年全球新增容量排名前十和 2016 年全球累计容量排名前十的国家，可以看出 2016 年中国、印度、美国和德国占了风电主要市场，同时欧洲一些相关国家比如法国、荷兰等都超出了预期表现。图 1.4 表示出了从 2008 年到 2016 区域年新增容量的趋势图，可以预计随着新兴市场在非洲、亚洲和拉丁美洲的崛起，以及传统市场中国、美国和德国保持稳定增长，整个风电产业会保持继续强势增长的趋势。同时，全球海上风电发展同样迅速，图 1.5 表示出 2016 年全球海上风电装机容量，以及 2011 年到2016 年海上风电年新增装机容量，可以看出 2016 年中国海上风电装机容量大幅提高，超过丹麦并且接近英国、德国，排名全球海上风电榜单第三位。
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1.2 风电机组实现 LVRT 的意义
在风力发电发展的初期，由于实际存在的硬件电路与软件控制的局限性，风电系统运行过程中稳定性一般不高，特别是在电网电压发生跌落的情况下，引起的过电压、过电流危及着风力发电系统的安全。随着风电制造业的发展以及风电技术的日趋成熟，全球风电的开发利用呈现规模化、大型化的趋势，推升了风电电网穿透率，同时也对电网的稳定与安全运行提出了新挑战[10]。目前较为突出的问题是风电机组的低电压穿越（LVRT）运行问题，这一问题已经成为行业关注的热点问题和双馈型风电机组发展的瓶颈问题。发达国家依据其自身的电网状况较早地制定了相应的风电机组并网运行导则，以提升大规模风电接入情况下新型电网的运行可靠性。目前多数国家电网运营部门均出台了风电机组 LVRT 标准，当电网电压跌落深度和故障持续时间在其规定范围内时，风电机必须保持不脱网运行[11]。当前，较为典型的 LVRT 运行标准规定电网要求电压降至额定值的 20%时，风电机组需能够持续并网运行 650ms，而德国、法国和西班牙电网对低电压穿越的要求更为严苛，要求风电机组具有 0 电压穿越的能力，并要求 0 电压情况下的运行时间不低于 150ms。需要关注的是德国标准中除要求 0 电压穿越外，还要求风力发电系统要在电网故障期间为电网提供无功电流，即电网电压每跌落 1%，风电机组要输出其额定电流 2%的无功电流，直至全部电流容量用于无功支持。当今中国风电的发展速度领跑全球，风电的电网穿透率也在不断攀升，局部地区风电的电网穿透率已经达到了较高的水平，影响着电网的安全运行，各种风电引起的电网事故已经出现。在此背景下，我国在国家电网的主导下也逐步制定和出台了一系列的风电并网标准，对并网风机或风电场的运行作出了详细的规定，LVRT 的要求也更加明确。
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第二章 DFIG 数学模型及矢量控制
DFIG 定子与电网直接相连，而转子侧则经过背靠背变流器与电网相连，这种特定的驱动拓扑特征使得 DFIG 定子和转子回路同时有效地参与了馈电，如图 2.1所示为为这一驱动拓扑的结构示意图。从图可以看出 DFIG 的控制是通过两个共直流母线连接的电压型 PWM 变换器实现的，其中与电网直接相连的变流器通常称为网侧变流器（GSC），而与DFIG转子侧相连的变流器通常称为转子侧变流器（RSC）。一般而言 GSC 用于稳定直流母线电压，而 DFIG 的控制则由 RSC 完成，两变流器之间通过中间直流母线电容解耦。不同运行状态下，DFIG 具有不同的的转子侧功率需求。比如在次同步发电状态，需要转子侧输入有功功率，而超同步发电状态，则需要转子侧输出有功功率。同时，DFIG 定子侧的无功功率，即并网功率因数，亦可通过在转子侧注入感性或容性无功功率加以调整，这就要求转子侧变流器须具有四象限运行的能力，而背靠背连接的变流器恰好满足了 DFIG 的这一需求。
2.1 DFIG 数学模型
风力发电机中的 DFIG 控制主要是针对其有功和无功功率的控制。为了实现有功功率和无功功率间的解耦，通常将交流传动系统中的矢量控制技术移植到 DFIG风电系统中，也就是把转子电流通过坐标变换分解有功和无功电流分量，通过控制这两个转子电流分量来实现 DFIG 的有功功率和无功功率的独立控制，从而实现变速恒频发电运行的控制目标。而矢量控制的分析与设计离不开电机的数学模型，为此本节将首先对 DFIG 数学模型进行介绍，而后在此基础上对其矢量控制原理、矢量控制稳定性等进行分析和讨论。DFIG 与普通交流电机类似，电机内有着复杂的电磁关系，存在多种不同的运行方式，可运用普通感应电机的相关理论对 DFIG运行特点加以分析。
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2.2 DFIG 运行原理和基本矢量控制
从式(2-20)可以看出，DFIG 定子频率因受电网频率的限制而保持不变，转子频率则随着转速的变化而发生变化。换言之，在定子频率不变的情况下，可以通过改变转差频率实现 DFIG 的变速恒频运行，而转子侧频率的改变则是通过其驱动控制变流器实现的。转子侧变流器所需要处理的功率与转差频率相对应，在变流器容量容许范围内，一方面可以通过改变转子电流的频率来获得期望的 DFIG 转速；另一方面当风速变化导致 DFIG 转速变化时，可调节转子电流和电压的频率使得DFIG 定子侧输出的频率恒定，进而并网发电，实现 DFIG 的变速恒频(VSCF)运行,根据 DFIG 运行状态和能量流动情况的不同，可将 DFIG 的运行状态分为四种，分别为：次同步电动运行状态、次同步发电运行状态、超同步电动运行状态及超同步发电运行状态。
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第三章 电网电压故障情况下 DFIG 电磁暂态响应分析 ......... 29
3.1 电网电压故障类型....... 29
3.2 电网故障时 DFIG 电磁响应分析 .......... 35
3.3 本章小结..... 43
第四章 DFIG 转子端电压控制及 LVRT 算法研究 ........ 44
4.1 常规灭磁控制算法....... 44
4.2 虚拟电感自灭磁控制算法研究..... 48
4.3 基于瞬态电感电动势跟踪控制的 LVRT 算法研究 ......... 60
4.3 本章小结..... 70
第五章 实验与分析 ........... 72
5.1 实验平台介绍...... 72
5.2 DFIG 矢量控制实验 .... 77
5.3 关键性算法的软件实现........ 80
5.4 对称故障下 DFIG 虚拟电感自灭磁控制算法实验研究 .......... 84
5.5 非对称故障下 DFIG 虚拟电感自灭磁控制算法实验研究 ...... 86
5.6 本章小结..... 88
第五章 实验与分析
本文的前几章对 DFIG
