适应电网环境的双馈风电机组变流器谐振控制

【摘要】：随着风电装机容量的增长,各国开始要求风电机组能够广泛适应电网运行环境的变化,为此,风电机组应不断开发先进技术来持续提高风电运行性能。我国风电机组大量安装在偏远地区,通常为电网的末端,风电机组接入的电网可能较弱,在这类弱连接的电网中,电压畸变和不平衡尤其突出。由于双馈风电机组的发电机定子直接连接到电网,电网畸变和不平衡情况会严重影响机组的安全、可靠运行,必须解决电网畸变和不平衡情况下的双馈风电机组电网适应性问题。 为提高风电机组对电网的适应性,本文着重开展以下三个方面内容的研究：1、双馈风电机组在电网畸变情况下的控制策略,以增强风电机组应对畸变电网能力；2、满足风电变流器模块化结构设计要求的不平衡控制策略,降低电网不平衡对双馈风电机组的影响,以提高风电机组可靠性；3、电网非理想情况下的锁相控制策略,为先进控制技术的实现提供精确的电网相位和频率信息。 本文第一章介绍了风力发电的基本现状和发展趋势,分析了风力发电系统的并网技术要求。针对本文主要的研究工作,归纳总结了电网畸变和不平衡情况下的双馈风力发电系统控制技术研究现状。 为了增强双馈风电机组对畸变电网的适应性,本文第二章对电网畸变情况下双馈风电机组的运行特性、矢量控制性能以及控制策略进行了分析和研究。首先,对传统电流矢量策略在电网畸变情况下的运行性能进行评估,分析了传统电流矢量控制策略的局限性；在此基础上,提出了一种基于谐振控制器的定子电流谐波控制策略,分析了采用该控制策略后的双馈系统谐波抑制能力,并进行仿真验证；最后,在双馈风电机组实验平台上对所提出的控制策略进行验证,并与传统电流矢量控制进行了稳态和动态的实验比较与分析。 本文第三章对应用于定子电流谐波控制的谐振控制器进行了分析和设计。分析了谐振控制器对控制系统稳态、动态和稳定性的作用,给出了谐振控制器的一种系统性设计方法。针对谐振控制器对系统动态性能的影响,探讨并分析了两类适用于提高控制系统相位裕量的补偿方法,并进行了仿真验证。 为了增强双馈风电机组对不平衡电网的适应性,本文第四章对电网不平衡情况下双馈风电机组的运行特性、矢量控制性能以及控制策略进行了分析和研究。探讨了传统电流矢量控制方法对不平衡电网中负序电压的控制阻尼,以此为基础,评估了传统电流矢量控制方法应对不平衡电网的能力；而后,提出了一种基于谐振控制器的定子电流平衡控制策略,对比了传统电流矢量控制和定子电流平衡控制的抗不平衡能力,并进行了仿真和实验验证。同时,针对大型风电机组可靠性和模块化设计要求,提出了利用电容电流控制来抑制直流电压波动的网侧变流器控制策略,评估了采用谐振控制结构的电容电流闭环控制对网侧变流器运行性能提高所起的作用；针对电网不平衡时可能存在的三次谐波电流问题,探讨了两种改进的电容电流控制方案。最后,对电容电流控制方法进行了详细的实验验证工作。 由于对电网电压畸变、不平衡、瞬时跌落、频率突变等非理想情况下可能对软件锁相造成影响,本文分析并设计了一种基于三相静止坐标延时信号消除算法的软件锁相技术,进一步改善了锁相系统的动态跟踪性能；最后,进行了仿真和实验验证工作。 本文第六章对本文的工作进行了总结,给出了本文的主要贡献,并对后续研究工作作一展望。 【关键词】：双馈风力发电 双馈变流器 电网适应性 谐波 三相不平衡 直流电压 控制技术
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46
【目录】：

• 资助5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目录11-14
• 第1章 绪论14-47
• 1.1 风力发电的现状与趋势14-20
• 1.1.1 风力发电产业发展概况14-16
• 1.1.2 风力发电技术现状与趋势16-20
• 1.2 双馈风力发电系统概述20-28
• 1.2.1 基本硬件结构20-22
• 1.2.2 基本控制结构22-23
• 1.2.3 风电并网技术要求23-28
• 1.3 双馈风电机组变流器控制技术的研究现状28-44
• 1.3.1 双馈风电机组的基本控制策略28-30
• 1.3.2 电网畸变时的双馈风电机组控制技术30-32
• 1.3.3 电网不平衡时的双馈风电机组控制技术32-40
• 1.3.4 电网非理想情况时的锁相控制技术40-44
• 1.4 论文的意义与内容44-47
• 1.4.1 研究目标和意义44-45
• 1.4.2 论文主要研究内容45-47
• 第2章 基于谐振控制的双馈风电机组定子电流谐波直接闭环控制技术47-81
• 2.1 电网畸变对双馈风电机组的影响47-56
• 2.1.1 网侧变流器的dq模型47-49
• 2.1.2 双馈电机的dq模型49-52
• 2.1.3 电网畸变对双馈发电机的影响52-56
• 2.2 电网畸变情况下双馈风电机组控制系统性能评估56-62
• 2.2.1 双馈风电机组的传统矢量控制策略56-58
• 2.2.2 定子电流与电磁转矩的谐波58-62
• 2.3 基于谐振控制的定子电流谐波直接闭环控制策略62-75
• 2.3.1 采用谐振控制器的定子电流谐波控制方案62-65
• 2.3.2 定子电流谐波直接闭环控制方法的分析65-67
• 2.3.3 所要求的直流电压67-71
• 2.3.4 仿真结果71-75
• 2.4 实验分析75-80
• 2.4.1 实验条件75-77
• 2.4.2 实验结果77-80
• 2.5 本章小结80-81
• 第3章 定子电流谐波直接闭环控制系统分析与设计方法81-101
• 3.1 基于谐振控制的定子电流谐波控制系统分析81-88
• 3.1.1 稳态分析81-84
• 3.1.2 谐振控制器对稳定性的影响84-87
• 3.1.3 谐振控制器对动态性能的影响87-88
• 3.2 谐振控制器的设计88-91
• 3.2.1 系统性设计步骤88-90
• 3.2.2 基于预修正双线性变换的数字实现90-91
• 3.3 相位裕量提升方案91-100
• 3.3.1 超前角度补偿方法92-94
• 3.3.2 超前滞后补偿方法94-97
• 3.3.3 仿真结果97-100
• 3.4 本章小结100-101
• 第4章 电网不平衡时定子电流平衡与直流电压波动抑制的控制技术101-150
• 4.1 电网不平衡对双馈风电机组的影响101-108
• 4.1.1 对双馈发电机的影响101-105
• 4.1.2 对背靠背变流器的影响105-108
• 4.2 电网不平衡情况下双馈风电机组控制性能评估108-117
• 4.2.1 转子侧控制系统对基波负序电压的抑制能力108-110
• 4.2.2 电网不平衡情况下网侧变流器的控制性能110-114
• 4.2.3 直流电容电流与直流电压114-117
• 4.3 基于谐振控制的定子电流平衡直接控制策略117-123
• 4.3.1 控制策略与分析118-120
• 4.3.2 实验与仿真120-123
• 4.4 基于谐振控制的直流母线电容电流二次谐波抑制策略123-135
• 4.4.1 直流电压控制技术需求分析123-126
• 4.4.2 已有方法的不足126-127
• 4.4.3 基于变流器可靠性与模块化要求的电容电流控制方案127-130
• 4.4.4 引入电容电流控制的系统评估130-135
• 4.5 电容电流控制所引入的三次谐波电流的消除方法135-140
• 4.5.1 三次谐波电流的分析135-136
• 4.5.2 基于dq旋转变换的负序电压指令提取方法136-138
• 4.5.3 基于负序谐振控制器的改进电容电流控制方案138-140
• 4.6 实验分析140-149
• 4.6.1 背靠背变流器测试平台140-141
• 4.6.2 背靠背变流器平台测试结果141-145
• 4.6.3 双馈风力发电平台测试结果145-149
• 4.7 本章小结149-150
• 第5章 电网非理想条件下双馈风电机组的软件锁相技术150-170
• 5.1 电网非理想情况下锁相环的动态建模150-157
• 5.1.1 电压非理想情况下的电压矢量方程151-155
• 5.1.2 基于同步旋转dq坐标系的锁相环数学模型155-156
• 5.1.3 电压非理想对dq锁相方法的影响156-157
• 5.2 基于两相静止αβ坐标系延时算法的dq锁相方法157-159
• 5.2.1 锁相算法框图157-158
• 5.2.2 电压谐波畸变情况下的锁相性能158-159
• 5.3 基于三相静止abc坐标系延时算法的dq锁相分析与设计159-166
• 5.3.1 三相电压基波正序分量提取算法159-162
• 5.3.2 锁相算法框图162-163
• 5.3.3 锁相环路的控制系统设计163-164
• 5.3.4 仿真结果164-166
• 5.4 实验验证166-168
• 5.5 本章小结168-170
• 第6章 总结与展望170-173
• 6.1 结论及贡献170-171
• 6.2 下一步的研究工作171-173
• 参考文献173-184
• 附录A 双馈风电机组参数184-185
• 附录B PI控制器设计185-187
• 附录C 超前滞后补偿器设计187-188
• 附录D 双馈风电机组稳态模型188-190
• 攻读博士学位期间所取得的科研成果190-191
• 致谢191-192

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