1.1 引言
能源是社会发展的动力。随着全球化石能源的大量消耗，造成其剩余储量急剧减小，引起的大气污染日益加重，我们迫切需要发展一种新型清洁可再生能源，来应对能源消耗与可持续发展的矛盾。调整能源结构，实现化石能源的清洁替代有着重要的意义。近年，随着制造业和电力电子技术等相关科技的进步，让资源丰富的、分布广泛、清洁可再生的风能在能源领域实现了跨越式发展。据汉能控股和全国工商联新能源协会共同发布的《世界新能源发展报告 2106》统计，截止 2015 年底，世界风电累计装机容量为 427.4GW，占到全球发电累计装机容量的 7.13%。我国风电累计装机容量为 145.36GW，占到全国发电累计装机容量的 9.8%。据中国风能协会发布的《2016年中国风电装机容量简报》统计，截至 2016 年底，我国风电累计装机容量达到168.73GW，同比增长 13.85%。风能在我国及世界能源结构中占有重要地位，并持续呈迅速发展的趋势。随着“一特四大”和“一极一道”战略构想的提出，以及以坚强智能电网为基本单元的能源互联网的发展[1-2]，必将为风电的生产、输送和消纳提供更高效、更稳定的平台，这将进一步促进风力发电的大规模发展。按照国家发改委能源研究所与国际能源署(IEA)预测，到 2050 年我国的风电累计装机容量将达到1000GW~2000GW，能满足国内 17%~30%以上的电力需求。目前，主流的风机结构有直驱型风力发电机和双馈式风力发电机两种类型。直驱式风机直接将轮毂上的扭矩传递给发电机，其转子采用永磁体材料制成，其定子通过全功率双向背靠背变换器将电能输送到电网。双馈式风力发电机的轮毂通过升速齿轮箱与发电机相连，其转子绕组通过励磁变频器进行励磁，其定子直接与电网相连。直驱式风机省去了齿轮箱，一定程度上降低风机故障几率，但较低的转速致使发电机极对数较多，体积较为庞大，增加了机头载荷。其变换器由于功率较大而增加成本，并且输出谐波较大。直驱风机的永磁体转子在恶劣环境下存在退磁的隐患，并且永磁体对带电灰尘的吸附难以去除。同时由于金属工具在强磁场中难以运作，导致故障时难以现场维护，增加了维护成本。双馈机型凭借技术相对成熟，机组运行状态稳定，成本价格相对较低的优势，在市场中获得较高的认可度，占有大量市场份额，尤其是海上风电市场。
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1.2 双馈风电系统低电压穿越研究
众多学者围绕提升双馈风电系统低电压穿越能力展开了研究，以期提高风电机组对电网的友好性。电力系统的典型横向故障有单向接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路，其中单向接地短路是最常见的故障类型，三相短路是最严重的故障类型。电力系统典型的纵向故障中，单相断线和两相断线的正序、负序、零序网络模型与两相接地短路和两相短路相同。实际的并网双馈电机，往往通过一个角接/星接的升压变压器与电网相连，高压侧的零序故障电压无法通过变压器传递到双馈风机，因此在 DFIG 的故障稳态电压仅有正序和负序分量[6]。电网电压的突然跌落，会引起 DFIG 的电磁暂态过程，以磁链守恒为条件求解定子磁链的动态变化。在电压对称跌落的情况下，定子磁链的动态过程包含正序交流分量和一个直流衰减分量。在电压不对称跌落的情况下，定子磁链的动态过程包含正序、负序交流分量和两个直流衰减分量。定子磁链直流和负序分量会感应出转子反电势以及相应的转子瞬态过电流，使发电机输出功率、电磁转矩、定转子电流产生冲击[7-8]。为控制由上述直流和负序磁链引起的暂态冲击，有以下三类主流的低电压穿越控制策略。第一类方法以削弱暂态直流、负序磁链为控制目标，提出了通过控制转子励磁变频器产生与定子暂态磁链极性相反的磁链，在气隙叠加后，消除定子暂态磁链对双馈风电机组造成的冲击。这类型的控制策略称之为“主动消磁”方法[9]。关于暂态磁链的检测及转子变换器的控制算法有以下研究。较易实现的是在不改变转子侧变换器控制方案情况下，在前向通道加入电流或电压的补偿项，以抑制转子侧过电流。此种方案的低穿控制并非转子变换器控制的主要目标，变换器用于抵消暂态磁链的容量较小，低穿能力弱。以定子暂态磁链为控制目标的方法就弥补了以上不足[10]，但定子磁链估测算法较为复杂，加大了控制难度。文献[11]提出的以定子电流中直流和负序分量作为转子电流指令的方法，在实现暂态抑制的同时，避免的复杂的磁链估计。“主动消磁”方法充分利用了转子励磁变频器既定容量进行低电压穿越控制。变频器容量限制了对定子暂态磁链的抵消能力，同时由于控制目标的变换，变换器无法再对双馈电机定子的有功和无功进行控制。这种低电压穿越方法控制能力有限，只能应用于轻度电压跌落的情况。
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第二章 九开关调制方法设计与系统拓扑结构分析
2.1 引言
UPQC 可以以串联电压补偿和并联电流补偿方式治理电网中电压骤变、电压不平衡、谐波畸变等多种电能质量问题，同时可以对无功进行调节，以减小有功损耗。其功能强大，通常加装在重要负荷与电网之间，保证了负荷处电网电能质量。同样，将UPQC 应用于发电机，尤其是对电网电压较敏感的双馈风力发电机，可有效改善机端电能质量，大大提高了双馈风电机组的故障电压穿越能力，性能优越。小型化、集成化、绿色化是电力电子技术的发展趋势，九开关拓扑结构是对背靠背变换器发展的探究。该结构减少了开关管数量，缩小了变换器体积，降低了变换器损耗，有一定的发展前景与研究价值。本章将从九开关变换器拓扑建模开始，结合与传统背靠背变换器的对比，推证其解耦控制方法。在此基础上，研究并确立九开关型 UPQC 系统与 DFIG风电系统的连接方式，得出系统整体拓扑结构图。
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2.2 九开关变换器拓扑结构及驱动逻辑
九开关变换器，作为传统背靠背变换器的演化电路，同样具有一个直流侧和两个交流侧。不同点在于九开关变换器仅有 3 条桥臂，每个桥臂由 3 个全控型开关器件组成，每条桥臂的两个桥臂中点作为输出点，如图 2-1 所示。该变换器每一条桥臂输出两路功率脉冲，依据分时控制的思想对两个通道各自展开分析。由于三相桥臂的对应关系，在以下分析中，均以 A 相的为桥臂进行分析说明。两通道输出高低电平的状态，是由调制方法决定的。在传统的 SPWM 调制方法中，取通道 AC1调制参考信号为 ura，通道 AC2调制参考信号为 urx，三角调制载波信号为 uc。令调制参考信号大于三角载波信号时，对应通道输出高电平；调制参考信号小于三角载波信号时，对应通道输出低电平，如图 2-3(a)所示。按照此调制方法，图中 t1~t2和 t3~t4间黄色区域对应的开关状态——上通道输出低电平同时下通道输出高电平，无法满足九开关脉冲制约关系。由三角载波调制方法的特点可知，参考信号越大，其低电平脉冲时间越短，参考信号越小，其高电平脉冲时间越短。以此为思路，减小上通道低电平时间长度，减小下通道高电平时间长度，以期消除上通道处于低电平，下通道处于高电平的输出状态。以此为基础，对上通道参考信号正向偏置，对下通道参考信号负向偏置，并造成约束ura> urx。此时，当上通道因 uc> ura而输出低电平时，下通道必满足 uc> urx而输出低电平。同理下通道因 urx> uc而输出高电平时，上通道必满足 ura> uc而输出高电平。九开关变换器的约束关系得到满足，如图 2-3(b)所示。以此调制方法产生的 PWM 脉冲可以满足九开关变换器两通道的解耦控制。
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第三章 九开关 UPQC 数学模型推导及控制方法研究.........18
3.1 引言....... 18
3.2 电压与电流参数检测........... 18
3.2.1 电压故障识别及电压相位检测.... 18
3.2.2 谐波电流检测........ 23
3.3 九开关 UPQC 建模与控制.......... 25
3.4 工作模式设计....... 30
3.5 动态调制比限幅设计........... 31
3.6 本章小结....... 33
第四章 多种电压工况下仿真验证..........34
4.1 引言....... 34
4.2 仿真模型....... 34
4.3 故障电压工况下补偿结果验证........... 35
4.4 本章小结....... 41
第五章 九开关 UPQC 试验验证.....42
5.1 引言....... 42
5.2 试验系统设计....... 43
5.3 电压跌落试验验证....... 48
5.4 本章小结....... 49
第五章 九开关 UPQC 试验验证
5.1 引言
依托数学模型的仿真分析可以从理论角度验证硬件拓扑结构和控制策略的正确性。该方法仅需要在仿真程序中输入由数学关系表示的被研究对象模型，通过计算机对该数学关系固定步长的迭代求解，便可获得其中各个变量随时间变化的数据。通过数据的变化来推演设计对象在实际工作中的运行状态，为新理论与方法的检验带来了巨大便捷。然而仿真方法并不完美。建模时，我们为得到复杂系统的数学模型而采用一些近似等效方法；在仿真数值求解过程中，采用迭代逼近的近似解作为数学方程真实解，这使得仿真与实际方案仍存在不可避免的差距。在大型系统仿真过程中，计算机资源需求较高，对仿真时长和模型复杂程度有较大限制；仿真只能为所提出的设计方案提供理论验证，与实际的设计还存在一定差距。因此在仿真分析提供一个预估结果后，对所提方案的实物试验可进一步验证设计的可行性，对可能的实际工程应用有重要指导意义。就本文所提方案，展开如下试验：按照第二章拓扑结构及第三章控制方式搭建九开关 UPQC 系统，以电阻负载代替双馈机组，在负载与电网之间
