双馈风力发电变流器控制技术研究

论文摘要

近年来风力发电飞速发展,而双馈风力发电技术因其独特的优点,在1。5MW及以上的风力发电机组中获得广泛的应用。虽然双馈风力发电机组有很多优点,但是其运行性能很依赖变流器的控制策略。另外,因为其定子侧直接与电网连接,所以双馈感应发电机(DFIG)对电网电压故障非常敏感。本文首先分析了基于LCL滤波器的网侧变流器的谐振现象,然后引入了一种简单且易于实现的有源阻尼算法,并在PSIM软件中仿真验证了该控制策略的有效性。针对DFIG定、转子的电路和磁路均对称的特性,本文从空间矢量的角度出发,建立了其数学模型。以此为依据,分析了DFIG定子磁场矢量控制和定子电压矢量控制的原理。通过对多种情况的仿真,论文指出了定子电压定向矢量控制的优点。另外,论文通过公式推导分析了DFIG对电网电压扰动敏感的原因。为了准确获得矢量控制中旋转变化用到的两个关键的角度值,本文对三相电压软锁相算法和和转子位置角估算方法进行了研究。该转子位置角估算方法依靠测得的转子电流估算定子电压,并以实际定子电压为参考进行闭环调节,进而得到转子位置角度。通过在PSIM软件中仿真,本文验证了这种方法的有效性。为了研究实现双馈风力发电机组实现低电压穿越(LVRT)方法,本文首先分析了电网电压跌落时DFIG内部的电磁暂态过程,然后通过仿真分析了电网电压跌落对双馈风力发电机组可能造成的危害。依据这些分析和已有文献,本文引入了虚拟阻抗控制,并仿真验证了虚拟阻抗控制对转子电流控制性能的改进,同时显示了仅靠改进控制策略来实现LVRT的局限。因此,对于电网电压跌落较深的情况,本文仿真研究了常用的主动式Crowbar电路的工作原理和切换过程。在最后,本文设计和搭建了一套1.5kW双馈风力发电模拟装置,并对其进行了简单介绍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电的发展状况
• 1.2 双馈风力发电系统
• 1.3 双馈风力发电系统的LVRT
• 1.4 论文工作及内容安排
• 第二章 双馈风力发电系统建模
• 2.1 双馈感应电机的数学模型
• 2.1.1 DFIG数学模型的空间矢量表示
• 2.1.2 DFIG在同步旋转坐标系下的数学模型
• 2.2 网侧变流器的数学模型
• 2.3 风力机的数学模型
• 2.4 小结
• 第三章 双馈风力发电系统的控制
• 3.1 网侧变流器的控制
• 3.1.1 LCL滤波网侧变流器的有源阻尼控制
• 3.1.2 电网电压锁相
• 3.1.3 PSIM下网侧变流器控制策略的仿真
• 3.2 双馈感应发电机的矢量控制
• 3.2.1 DFIG的定子磁场定向矢量控制
• 3.2.2 DFIG的电网电压定向矢量控制
• 3.2.3 电网电压定向矢量控制的仿真研究
• 3.2.4 定子电压定向矢量控制的性能
• 3.3 双馈电机的空载并网策略
• 3.4 DIFG的转子位置角估计
• 3.4.1 基于定子电压的转子位置角估算原理
• 3.4.2 基于定子电压的转子位置角观测的仿真
• 3.5 小结
• 第四章 电网电压跌落时DFIG暂态过程的分析
• 4.1 DFIG在稳态时的电磁关系
• 4.2 电网电压对称跌落时DFIG的暂态分析
• 4.3 电网电压恢复时DFIG的暂态分析
• 4.4 电网电压跌落时的仿真
• 4.5 小结
• 第五章 双馈型风电机组低电压穿越研究
• 5.1 CROWBAR保护电路
• 5.1.1 Active Crowbar的工作原理分析
• 5.1.2 Active Crowbar运行的仿真研究
• 5.2 转子侧变流器控制策略的改进
• 5.2.1 定子电压定向矢量控制的改进
• 5.2.2 转子侧变流器控制的局限
• 5.3 小结
• 第六章 双馈风力发电机组模拟装置
• 6.1 模拟实验装置的总体结构
• 6.2 模拟实验装置硬件设计
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表