电网异常条件下双馈异步风力发电机的直接功率控制

论文摘要

我国的风能资源丰富的区域大都地处于偏远,远离负荷中心,所建立的风电场与电力主干网的联接较弱,电网电压易波动、不平衡。电网异常条件下变速恒频双馈异步风电系统的运行与控制成为了研究的重点。系统中交流励磁变换器的控制策略决定了风电机组的动态运行特征,而直接功率控制其结构简单、动态性能好,近期巳逐渐成为交流励磁变换器的故障穿越控制研究的焦点。本文的研究工作主要是围绕双馈异步风电机组(DFIG)交流励磁电源的直接功率控制展开。在充分理解电网运行规程和变速恒频双馈风力发电机组运行特征后,对现有故障穿越技术进行了分析,确认针对各种电网故障情况下改进的DFIG控制策略可在其励磁变频器控制范围内可最大限度保证机组安全,实现故障穿越过程中多个控制目标,是弱电网条件下风电机组控制研究的重点内容。本论文主要研究工作集中在:(1)对传统直接功率控制(DPC)方法进行了研究。通过对矢量分析的结果表明,传统DPC的单一开关表和扇区划分方式会导致电压矢量出现周期性误差,最终致使DFIG风电机组网侧变换器输入电流含大量高次谐波,必须对其进行改进和优化。(2)对DFIG风电机组交流励磁变频器的网侧变换器进行了研究,提出了一种复开关表DPC方法,在DPC基本原理的基础上通过引入SVM技术提出了恒定开关频率DPC。复开关表DPC的开关表数据通过离线计算获得,主要逻辑部分由查表完成,故采用复开关表的DPC系统结构简单,硬件要求低。而恒定开关频率DPC通过引入了空间矢量调制(SVM)技术可使开关谐波集中在采样频率附近,虽适度增加了控制算法的复杂度但简化了风电机组配套的电力滤波器的硬件设计难度。(3)对DFIG风电机组交流励磁变频器的转子侧变换器进行了研究,提出了三种可用于电网电压波动条件下DFIG励磁变频器有效控制的恒定开关频率的DPC策略。在故障穿越的动态过程中这三种控制策略可分别实现转子磁链、转子电流和电磁转矩恒定的控制目标,从而分别实现缩短动态过程的振荡时间、保护交流励磁变频器和抑制机械转矩脉动的控制效果,从不同方面满足弱电网条件下DFIG风电机组的运行控制的要求。(4)使用对称分量法分析了弱电网条件下各种类型输电线路故障对风电场内DFIG风电机组机端电压的影响,估算了最严重故障条件下发电机机端正序电压跌落、负序电压分量的大小,以及不同故障类型下使DFIG产生最大、最小定子直流磁链的故障相位角。并以此为依据分析了当前变速恒频DFIG风电系统中常规矢量控制在不同类型电网故障穿越过程中的表现。(5)设计了一种基于二倍频陷波器的无时延正序分量提取方法。根据不对称运行条件下瞬时功率分析改造了本文提出的网侧PWM变换器的复开关表DPC方法、定开关频率DPC方法,以及DFIG的定开关频率DPC算法,使它们适用于不对称性电网故障穿越。(6)使用Matlab/Simulink建立了完整的双馈异步风电机组仿真模型,并对DFIG仿真模型进行了深入探讨。对网侧PWM变换器和DFIG风电机组的静稳、动态特性以及不对称运行进行了仿真。对一套15kW交流励磁变速恒频风力发电实验系统进行了改造使之适用于电网电压不对称运行研究,完成了包括网侧PWM变换器和DFIG完整样机系统的不对称运行实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 可再生能源开发背景
• 1.1.2 风能的优势和我国的风能资源
• 1.1.3 国内外风力发电的现状与趋势
• 1.2 风力发电技术的研究现状
• 1.2.1 风能捕获与风力发电技术
• 1.2.2 变速恒频发电技术的进展和趋势
• 1.2.3 变速恒频风力发电机用交流励磁电源
• 1.2.4 变速恒频DFIG风电机组的矢量控制和直接功率控制技术
• 1.3 电网规程和现有DFIG风电机组的故障穿越技术
• 1.3.1 故障状态下双馈异步风力发电机的运行特性以及电网要求
• 1.3.2 现有的改进双PWM变频器控制策略
• 1.4 论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第2章 网侧PWM变换器及其改进直接功率控制
• 2.1 引言
• 2.2 网侧PWM变换器模型与分析
• 2.2.1 静止a-b-c坐标系下网侧PWM变换器数学模型
• 2.2.2 α-β坐标系下网侧PWM变换器数学模型
• 2.2.3 d-q坐标系下网侧PWM变换器数学模型
• 2.3 网侧PWM变换器的控制
• 2.3.1 整流-逆变桥的电压输出与空间矢量调制
• 2.3.2 电压、电流双闭环的矢量控制
• 2.3.3 基于开关表方式的直接功率控制
• 2.4 复开关表直接功率控制
• 2.4.1 传统直接功率控制的矢量分析
• 2.4.2 复开关表直接功率控制的设计
• 2.5 开关频率恒定的直接功率控制
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 转子侧PWM变换器及其改进直接功率控制
• 3.1 引言
• 3.2 转子侧PWM变换器的模型与分析
• 3.2.1 静止a-b-c坐标系下DFIG数学模型
• 3.2.2 d-q坐标系下DFIG的数学模型
• 3.3 双馈异步风力发电机转子侧PWM变换器控制技术
• 3.3.1 定子磁链定向矢量控制
• 3.3.2 定子电压定向矢量控制
• 3.4 双馈异步风力发电机开关频率恒定的直接功率控制
• 3.4.1 改进的DFIG DPC策略
• 3.5 开关频率恒定直接功率控制的稳态误差分析及补偿
• 3.6 开关频率恒定的直接功率控制动态性能分析
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第4章 双馈异步风力发电机的故障穿越运行
• 4.1 引言
• 4.2 电网故障条件下发电机运行状态
• 4.2.1 对称分量法和电网故障分析
• 4.2.2 电网故障时双馈异步电机机端电压分析
• 4.3 故障状态下采用传统矢量控制的DFIG行为特性
• 4.3.1 电压对称跌落条件下采用矢量控制的网侧PWM变换器
• 4.3.2 不对称电压条件下采用矢量控制的网侧PWM变换器
• 4.3.3 电压对称跌落条件下采用矢量控制的DFIG
• 4.3.4 不对称电压条件下采用矢量控制的DFIG
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 基于直接功率控制的DFIG故障穿越技术
• 5.1 引言
• 5.2 不对称电网故障下的DFIG的功率分析
• 5.2.1 正、负序同步速坐标系下网侧PWM变换器的瞬时功率分析
• 5.2.2 正、负序同步速坐标系下DFIG的瞬时功率分析
• 5.3 常规不对称故障控制策略
• 5.3.1 网侧PWM变换器指令电流的计算
• 5.3.2 转子侧PWM变换器指令电流的计算
• 5.3.3 正、负序双d-q双闭环的矢量控制
• 5.4 正、负序电气量的分离技术
• 5.4.1 基于低通滤器方式的正、负序分离方法
• 5.4.2 基于T/4延时的正、负序分离方法
• 5.4.3 基于二倍频陷波器的无时延正序分量提取方
• 5.5 改进开关频率恒定的直接功率控制策略
• 5.5.1 网侧PWM变换器改进复开关表直接功率控制方法
• 5.5.2 网侧PWM变换器改进定开关频率直接功率控制方法
• 5.5.3 DFIG改进定开关频率直接功率控制方法
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 仿真与实验研究
• 6.1 仿真系统的构成
• 6.1.1 Matlab/Simulink下的仿真系统模型
• 6.1.2 仿真模型的系统参数
• 6.2 仿真研究
• 6.2.1 网侧PWM变换器的仿真
• 6.2.2 DFIG与机侧PWM变换器的仿真
• 6.3 实验系统的构成
• 6.3.1 实验系统的硬件平台构成
• 6.3.2 实验系统软件编程介绍
• 6.3.3 实验样机参数
• 6.4 实验研究
• 6.4.1 网侧PWM变换器带电阻负载实验
• 6.4.2 DFIG风电机组实验
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文的主要结论和创新点
• 7.2 后续研究工作展望
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历