在风力发电系统中,双馈风力发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)具有有功功率和无功功率可独立调节的特点、进行最大风能追踪的变速恒频发电运行能力、以及励磁变流器容量远小于风力发电系统容量的优势,成为当前风能开发利用的主流机型。我国风电开发采取高度集中的模式,风电场大多位于电网末端,在长距离输电线路中存在各种稳态、暂态、对称、不对称的电路故障和各种电力谐波,使得风力发电机组处于恶劣的工作环境中,以往基于理想电网环境设计的风电系统运行控制策略无法适应实际电网条件下的并网和高性能运行要求,进而直接影响到所并电网的运行稳定性、安全性和所发出的电能质量。为了充分利用风能并保障电力系统的安全平稳运行,世界各国电网规范对风电机组的运行可靠性提出了严格要求,主要体现两个方面:一是风电机组能有效抵御各类电网扰动故障且保持不脱网运行;二是提高风电系统在瞬态电压骤变下的故障穿越能力和对故障电网恢复的支撑能力。当电网电压不平衡时,即使很小的不平衡电压也会造成电机定转子电流的高度不对称,不对称的电流将导致电机定转子绕组发热不均匀、电磁转矩脉动、向电网输出的功率包含谐波分量等不利影响。且随着风电机组装机容量的不断增长,当风电机组达到一定规模时,这种不具备在不平衡电压下自我调节控制能力的风电机组会引起电网的不稳定,甚至最终从电网中解列,严重威胁电力系统的安全平稳运行。采用电力电子器件的功率变换技术的发展为风力发电系统由恒速恒频运行到变速恒频运行的发展提供了硬件基础。在由风能转变为电能的过程中,发电机及其控制系统的性能不仅会影响到整个系统的性能、效率以及供电质量,而且也会影响到风能到机械能的转换效率及其结构和运行方式。对于双馈感应电机变速风力发电系统来说,其控制是通过交流励磁变换器来实现的,其必须具备能量双向流动的能力、良好的输入输出特性、提供足够的无功功率等条件。双馈异步风力发电机采用两个背靠背、通过直流环节连接的两电平电压型PWM变流器进行交流励磁,以此实现变速恒频运行和最大风能追踪;PWM变流器主要具有功率可双向流动、输入电流正弦且谐波含量少、功率因数可调、直流环节电压可调、抗负载扰动的稳定性好、可有效降低直流环节储能电容容量等优点,因此DFIG的运行控制主要是对励磁变流器的控制。双PWM型功率变换器的运行状态可控,均可在整流逆变状态间切换运行,从而实现功率的双向流动。当DFIG运行于亚同步状态时,网侧变流器运行在整流状态,机侧变流器运行在逆变状态,能量从电网流向电机;当DFIG运行于超同步状态时,网侧变流器运行在逆变状态,机侧变流器运行在整流状态,能量从电机流向电网。两个变换器工作状态的切换是由双馈感应电机的运行区域决定的。并且功率变换器采用高频自关断器件和空间矢量PWM的调制方法,能够消除低次谐波,输入输出特性好,对电网和双馈感应电机的影响较小,在谐波特性上能满足DFIG的励磁要求。其中电网侧变流器主要实现直流母线电压稳定、输入电流正弦平衡和控制功率因数等功能,电机侧变流器主要实现控制DFIG输出有功功率、无功功率等功能,为此必须实现对电网侧变流器和电机侧变流器输出电流的有效控制和调节。矢量控制方法是选择合适的相位角作为坐标变换的依据,实现对交流电机转矩、磁链的解耦,从而对转矩分量、励磁分量的独立解耦控制,并获得优良的动态特性。由对称分量法可知不平衡的电网电压可分解为对称的正序分量和负序分量,正序分量在两相同步旋转坐标系中表现为直流量,负序分量在两相同步旋转坐标系中表现为二倍电网频率的交流分量;传统的比例积分PI矢量控制只能够对直流量进行调节而不能控制交流量,从而只能用于理想电网环境中。谐振控制器具有对目标频率信号幅值增益足够大而对其他频率信号幅值增益衰减很快的特点,特别适合用于抑制具有典型振荡频率的波动分量,在变流技术中得到了广泛的应用。本文提出在比例积分控制器的基础上添加谐振环节构造比例积分谐振PIR控制器,比例积分环节用于控制直流分量、谐振环节用于控制交流分量,即可实现对不平衡电网电压下双馈风力发电机的有效控制。本文首先建立了在理想电网电压环境中的电网侧和电机侧变流器数学模型,进而建立了不平衡电网电压环境中的电网侧和电机侧变流器数学模型,包括三相静止坐标系中的动态模型和两相同步旋转坐标系中的动态模型,并推导了变流器的瞬时功率模型。在此基础上分析了电压、电流和功率之间控制关系,确定了电网侧变流器和电机侧变流器的控制目标,并设计了为实现各控制目标的指令电流。以此数学模型为基础,设计了基于比例二阶广义积分谐振控制器的矢量控制策略,分别对电网侧变流器和电机侧变流器进行控制,分析其在三相电网电压不平衡环境中的运行性能。最后在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了额定容量为2MW的双馈风力发电系统,分别采用传统的比例积分矢量控制策略和基于比例二阶广义积分谐振控制器的矢量控制策略进行仿真实验,对最终结果进行对比分析证明了所提控制策略的有效性。