风电机组机侧变流器控制策略研究

【摘要】：随着日益加剧的环境污染和能源短缺问题,风能作为最有发展空间的可再生洁净能源之一,在世界范围内得到了充分的开发与利用。随着风电技术的发展,出现了诸多风电机型的技术路线,本文将针对于鼠笼电机(SCIG)全功率机组和双馈电机(DFIG)部分功率机组这两种主流机型展开研究。而风电机组机侧变流器作为电机控制与能量转换的关键环节,其控制策略至关重要。目前应用最广泛的机侧算法是矢量控制(Vector Control,VC)和直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC),而矢量控制又可以选择比例积分(PI)或比例谐振(PR)控制器作为实现策略。为了对比基于PI的矢量控制、基于PR的矢量控制及DTC控制策略本身的优缺点以及对机组性能的影响,本文从电网稳态运行和暂态故障两种工况下对SCIG和DFIG控制特性进行研究与讨论。所涉及的关键内容及主要工作包括如下几点:(1)针对于不同的机侧控制策略技术,本文首先分析并讨论基于PI控制器和基于PR控制器实现矢量控制的原理与策略,提出了频率可调的PR控制器(FA-PR)以满足机侧变频率的控制需求;其次在直接转矩控制(DTC)的理论基础上,分析了转矩与磁链观测、滞环比较、开关表等关键环节,并选择SVM-DTC作为优化策略以改善滞环带来的转矩脉动及开关频率不恒定的问题;最后分别研究了SCIG和DFIG机组基于PI的矢量控制、基于PR的矢量控制及DTC的控制策略,并通过相关仿真与实验验证了各控制策略的有效性与准确性,为后续性能对比与故障运行的研究奠定了基础。(2)在机侧控制理论分析与验证的基础上,本文针对稳态电网的运行条件,从稳态精度、动态响应、计算复杂度、系统鲁棒性及控制需求等多个方面对PI、PR与DTC等策略进行了全面对比,得出各策略的性能特点与算法优缺点。(3)针对于电网跌落时机组故障运行的问题,本文分别讨论并提出了SCIG与DFIG机组实现低电压穿越(LVRT)的方案,同时对采用基于PI的矢量控制、基于PR的矢量控制及DTC控制策略时各机组暂态特性以及LVRT能力加以验证与对比,对比结果为后续故障穿越算法的改进及优化工作提供依据。 【关键词】：鼠笼全功率机组 双馈机组 矢量控制 直接转矩控制 低电压穿越
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 风力发电技术概述14-21
• 1.2.1 风电机组研究现状14-17
• 1.2.2 风电系统功率变换器发展状况17-21
• 1.3 风电机组机侧变流器控制策略研究现状21-23
• 1.4 本文主要研究内容23-26
• 第二章 风电机组结构与数学模型26-38
• 2.1 机组简介26-27
• 2.2 风力机数学模型27-28
• 2.3 异步电机数学模型28-33
• 2.4 电网侧变流器数学模型33-36
• 2.4.1 电网侧VSC模型分析33-35
• 2.4.2 电网侧VSC矢量控制方案35-36
• 2.5 直流母线环节数学模型36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 鼠笼全功率机组机侧变流器控制策略研究38-76
• 3.1 概述38
• 3.2 鼠笼电机机侧VSC控制策略研究38-61
• 3.2.1 基于PI的矢量控制研究及仿真验证38-43
• 3.2.2 基于PR的控制策略研究及仿真验证43-49
• 3.2.3 基于直接转矩控制的算法研究及仿真验证49-59
• 3.2.4 性能对比59-61
• 3.3 鼠笼全功率机组LVRT策略研究61-71
• 3.3.1 鼠笼机组故障运行方案61-63
• 3.3.2 不同控制算法下鼠笼机组LVRT验证对比63-71
• 3.4 实验验证71-74
• 3.5 本章小结74-76
• 第四章 双馈机组转子侧变流器控制策略研究76-112
• 4.1 概述76-77
• 4.2 双馈电机RSC控制策略研究77-88
• 4.2.1 基于PI的矢量控制研究及仿真验证77-81
• 4.2.2 基于PR的控制策略研究及仿真验证81-84
• 4.2.3 基于直接转矩控制的算法研究及仿真验证84-88
• 4.2.4 控制性能对比88
• 4.3 双馈机组LVRT策略研究88-111
• 4.3.1 双馈机组故障特性分析与验证88-93
• 4.3.2 基于转子Crowbar保护的LVRT策略93-94
• 4.3.3 不同控制算法下双馈机组LVRT特性对比94-111
• 4.4 本章小结111-112
• 第五章 总结与展望112-114
• 5.1 论文内容总结112-113
• 5.2 进一步工作展望113-114
• 参考文献114-119
• 附录119-121
• 致谢121-122
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文122

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