双馈风力发电机最大风能捕捉及低电压运行技术研究

【摘要】：风能发电经过半个多世纪的研究和应用,并网型风力发电技术取得了长足的进步。双馈异步风力发电机系统具有功率变频器容量小、有功功率与无功功率可以实现解耦调节、转速可调范围广等特点,在现代风电产业发展过程中,得到广泛的应用。双馈风力发电机组能较好的实现将风能转换为电能的基本功能,对能源结构的优化调整的作用逐渐显现。随着双馈风力发电机组的单机容量的不断增大,提高机组发电效率成为风电行业的重点研究问题；随着风电在一次能源发电所占的比例逐步升高,风力发电的随机性和波动性会影响电网的稳定性,电网对风力发电机组的要求也越来越高。 本文首先总结了国内外风能利用和风力发电发展现状和风力发电产业化状况,分析和阐述风力发电技术特点和热点研究问题,提出了本文的选题背景和选题意义。然后分析了变速恒频的双馈异步风力发电机的数学模型和控制原理,建立了双馈风力发电机在两相旋转坐标系下的数学模型。在建立的数学模型的基础上,分别对双馈风力发电机的最大风能捕捉；不平衡电网电压下双馈风力发电机的谐波抑制；电网低电压故障下,双馈风力发电机组的低电压穿越技术展开研究。 研究了风力发电机组的最大风能捕捉机理,分析现有控制方法和和最大风力捕捉策略。指出现有最大风能捕捉主要控制对象为发电机,忽略了风力机桨距角调节可提高风力发电机组最大风能捕捉效果的作用。将变桨系统引入最大风能捕捉控制闭环,阐述引入的原因和方法,提出了一种基于微距变桨极值法变速双馈异步风力发电机组的最大风能捕捉策略。通过试验对所提出的控制策略进行了验证,试验结果验证了所提控制策略的优越性。 分析了不平衡电压下双馈异步风力发电机的响应特性,研究了不平衡电网电压对风力发电机定子、转子、网侧变频器电流和直流母线的影响,得出在不对称电网电压下,变频器电流控制环偏离设计控制工况会产生控制偏差,导致转子电流中包含明显的谐波分量,导致直流母线电压也产生震荡,使网侧变频器电流输出电流波形发生畸变。基于现有变频器的控制算法,提出了一种基于陷波滤波的改进型矢量控制策略,分别对网侧和机器变频器电流控制环dq轴中的交流分量进行了滤波,消除了变频器在偏离设计工况下的控制输出的震荡。通过仿真计算,验证了所提出控制策略有效的抑制双馈风力发电机的谐波。 分析了双馈风力发电机组的低电压故障的暂态过程,重点探讨了电网低电压下的转子故障电流的暂态过程,转子故障电流分解为两部分,一部分是跌落后的稳态电流,另外一部分是随时间衰减的电流。转子电流在电网电压跌落时快速上升,此故障电流可达到额定电流的3-5倍,可超过机侧变频器的过流能力。故障电流会随时间衰减,可降至机侧变频器电流容量以下,可启动变频器恢复风力发电机的励磁调节。结合对现有的双馈发电机低电压穿越方案的分析,提出了基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越控制方案。所提出方案在发电机转子侧与直流母线之间增加一组不可控整流桥。对电压轻度跌落故障,风力发电机为背靠背变频连接,低电压穿越工作在直流Crowbar方法,故障过程持续全可控,通过励磁调节对定子侧功率进行控制,实现低电压穿越全过程持续向电网提供无功支撑；对电压深度跌落故障,故障前期机侧变频器因故障切除运行,通过增加的不可控整流桥单元替代机侧变频器输送转子故障能量至直流母线,低电压穿越工作在交流Crowbar方式,规避了机侧变频器过流能力不足的缺陷。随故障电流下降,机侧变频器重启,风力发电机恢复交直交变频连接,低电压穿越工作在直流Crowbar方式,提高了双馈风力发电机组在电网电压深度跌落低电压穿越能力。所提出方案通过Crowbar工作方式自动切换,实现了风力发电机组对不同深度电网电压跌落的低电压穿越,提高了双馈风力发电机组的低电压穿越能力,故障期间无功的支撑满足电网导致的要求。 最后,系统的总结了本文主要研究成果,并指出了进一步研究的方向。 【关键词】：风力发电 双馈发电机 最大风能捕捉 低电压运行 低电压穿越 Crowbar
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 论文创新点6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 1 绪论13-31
• 1.1 论文选题背景及意义13-22
• 1.1.1 可再生能源发电概述13-14
• 1.1.2. 国内外风力发电的现状14-16
• 1.1.3. 风力发电技术发展概述16-22
• 1.2 双馈风力发电机组控制技术研究现状22-29
• 1.2.1 最大风能捕捉研究现状24-26
• 1.2.2 不对称电压下风力发电机控制研究现状26-27
• 1.2.3 风力发电机的低电压穿越研究现状27-29
• 1.3 论文的主要研究内容29-31
• 2 双馈风力发电机建模分析31-48
• 2.1 风力机能量转换过程31-34
• 2.1.1 风能的描述31-32
• 2.1.2 风力机风能转换分析32-33
• 2.1.3 风力发电机组最大风能捕捉相关参数33-34
• 2.2 双馈发电机数学模型34-40
• 2.2.1 双馈发电机在三相静止坐标系下的数学模型34-37
• 2.2.2 双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型37-40
• 2.3 双馈异步发电机功率变频器模型40-46
• 2.3.1 网侧变频器的模型与控制41-44
• 2.3.2 机侧变频器的模型与控制44-46
• 2.4 小结46-48
• 3 微距调桨变速双馈风力发电机最大风能捕捉48-63
• 3.1 双馈风力发电机最大风能捕捉机理48-52
• 3.1.1 最大风能跟踪原理48-50
• 3.1.2 双馈风力发电机运行区域控制策略分析50-52
• 3.2 双馈风力发电机最大风能捕捉控制策略研究52-55
• 3.2.1 最大风能捕捉控制目标52-53
• 3.2.2 最大风能捕捉控制方法53-55
• 3.3 双馈风力发电机微距变桨极值法最大风能捕捉55-60
• 3.3.1 微距变桨风力机最大风能跟踪56-57
• 3.3.2 极值法双馈发电机的最大功率跟踪57-58
• 3.3.3 双馈风力发电机微距变桨极值法最大风能捕捉58-60
• 3.4 控制策略试验验证60-61
• 3.5 小结61-63
• 4 不平衡电压下双馈发电机改进矢量控制63-82
• 4.1. 不平衡电压下双馈风力发电机运行特性分析63-68
• 4.2 不平衡电压下双馈发电机的控制方法68-72
• 4.2.1 不平衡电压下风力发电机谐波抑制68-69
• 4.2.2 陷波滤波改进型矢量控制谐波抑制69-72
• 4.3 仿真验证72-80
• 4.3.1 超同步工况仿真验证73-77
• 4.3.2 次同步工况仿真验证77-80
• 4.4 小结80-82
• 5 双馈风力发电机组低电压穿越82-109
• 5.1 电压跌落时双馈发电机暂态分析及控制目标82-87
• 5.1.1 电网电压跌落时双馈发电机的暂态分析82-86
• 5.1.2 低电压穿越的控制目标86-87
• 5.2 基于DBR交直流复用Crowbar低电压穿越研究87-95
• 5.2.1 现有双馈风力发电机低电压穿越方案88-91
• 5.2.2 交直流复用Crowbar低电压穿越控制策略91-95
• 5.3 试验验证95-108
• 5.3.1 电网电压轻度跌落低电压穿越试验验证95-101
• 5.3.2 电网电压深度跌落低电压穿越试验验证101-108
• 5.4 小结108-109
• 6 总结与展望109-111
• 6.1 总结109-110
• 6.2 展望110-111
• 参考文献111-119
• 攻读博士学位期间发表的学术论文119-120
• 致谢120-121

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