基于矩阵变换器励磁的双馈型风力发电机并网运行控制策略研究

论文摘要

目前,双馈型风力发电机普遍使用电压源型双PWM变频器作为励磁系统电源。双PWM变频器需要大电容作为直流储能元件,不仅体积大、重量重,且不易维护,同时大电解电容的电解液易于挥发,严重影响变频器的寿命。矩阵变换器不存在大电容或大电感,具有体积小,易维护等优点,因此研究矩阵变换器交流励磁系统,对减小励磁系统体积,提高功率密度,降低维护成本均有重要意义。但由于矩阵变换器本身结构复杂,控制难度大,将其应用于双馈电机交流励磁系统,还存在着并网困难、运行性能欠佳等问题。为此论文研究了基于矩阵变换器励磁的双馈型风力发电机并网运行控制策略,并通过实验和仿真验证了所提控制策略的有效性。论文的主要研究内容及创新性工作如下：(1)在深入分析双馈电机数学模型和矩阵变换器调制策略的基础上,根据矩阵变换器励磁的双馈电机空载、正常工况下和非正常工况下三种运行状态,提出了基于矩阵变换器励磁的双馈型风力发电机并网运行控制方案。该方案使得基于矩阵变换器励磁的双馈型风力发电机可以满足在不同工况下并网运行的要求。(2)针对在矩阵变换器励磁的双馈电机并网瞬时定子冲击电流较大的问题,提出了定子电压闭环控制策略。该策略是将电网电压的幅值和相位作为给定值,定子电压幅值作为反馈值,实现对矩阵变换器虚拟逆变侧的电压幅值和相位控制,使定子电压准确跟随电网电压,并简化了复杂的解耦控制。实验结果表明,减少了并网瞬时双馈电机定子冲击电流。(3)针对传统的矩阵变换器励磁控制策略响应时间较长、超调量较大的问题,提出了基于矩阵变换器励磁的直接功率控制策略。该策略首先由定子有功功率误差、无功功率误差、定子电压和转子所处位置直接计算得到转子电压信号,再通过矩阵变换器间接空间矢量调制策略控制转子电压。该策略实现了在一个控制周期内消除定子侧有功功率误差和无功功率误差,并省去了转子电流闭环控制环节。因此该策略能够有效提高响应速度,减少超调量。(4)针对传统矩阵变换器励磁控制策略在电网电压扰动和电压不平衡等非正常工况下运行效果不理想的问题,分别提出了非线性最优控制策略和电压不平衡交流励磁控制策略。仿真结果表明,非线性最优控制策略在电网电压扰动情况下减少了定子电压、有功功率和定子磁链的调节时间；电压不平衡交流励磁控制策略在电网电压不平衡情况下,根据不同控制目标,可以分别消除定子负序电流、减少有功功率脉动或无功功率脉动。(5)研发了矩阵变换器交流励磁实验系统。该系统以DSP控制器为核心构成主控系统和以IGBT模块为开关器件构成主电路,并使用变频器驱动异步电动机模拟风机,实现了在正常工况下双馈型风力发电机向电网输出有功功率和无功功率的并网运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电概述
• 1.2 风电变流器发展现状
• 1.3 矩阵变换器交流励磁系统研究现状
• 1.3.1 矩阵变换器研究现状
• 1.3.2 矩阵变换器交流励磁系统基本原理及研究现状
• 1.3.3 矩阵变换器励磁系统所存在的问题
• 1.4 论文的研究内容
• 第二章 矩阵变换器调制策略及换流技术
• 2.1 引言
• 2.2 矩阵变换器数学模型
• 2.3 间接空间矢量调制策略及仿真研究
• 2.3.1 间接空间矢量调制策略
• 2.3.2 仿真研究
• 2.4 矩阵变换器换流技术
• 2.4.1 四步换流法
• 2.4.2 非线性前馈补偿法
• 2.5 本章小结
• 第三章 软并网控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 双馈型发电机数学模型
• 3.2.1 ABC坐标系下双馈型发电机数学模型
• 3.2.2 αβ0坐标系中双馈型电机数学模型
• 3.2.3 dq坐标系下双馈型电机数学模型
• 3.3 双馈型发电机空载时数学模型
• 3.4 双馈电机软并网控制
• 3.4.1 定子电压闭环并网控制
• 3.4.2 电网电压定向并网控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 正常工况下发电运行控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 双馈型电机稳态功率特性
• 4.3 发电运行控制策略
• 4.3.1 定子磁场定向矢量控制
• 4.3.2 定子电压定向矢量控制
• 4.3.3 直接功率控制
• 4.4 本章小结
• 第五章 非正常工况下的运行控制策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 电网电压扰动情况下运行控制策略研究
• 5.2.1 非线性微分几何理论
• 5.2.2 改进的双馈型发电机数学模型
• 5.2.3 非线性控制策略
• 5.2.4 矩阵变换器间接空间矢量调制策略
• 5.2.5 控制系统设计
• 5.2.6 仿真研究
• 5.3 电网电压不平衡情况下运行控制策略研究
• 5.3.1 对称分量法基本原理
• 5.3.2 电压不平衡条件下双馈电机数学模型
• 5.3.3 转子侧控制策略
• 5.3.4 电网侧控制策略
• 5.3.5 正、负序分量检测
• 5.3.6 不平衡情况交流励磁控制策略
• 5.3.7 仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 矩阵变换器交流励磁实验系统设计
• 6.1 矩阵变换器交流励磁实验系统的基本结构
• 6.2 控制系统硬件设计
• 6.3 控制系统软件设计
• 6.3.1 DSP软件设计
• 6.3.2 CPLD软件设计
• 6.3.3 PLC软件设计
• 6.3.4 触摸屏软件设计
• 6.4 矩阵变换器主电路及其驱动电路设计
• 6.4.1 开关电路
• 6.4.2 驱动电路
• 6.4.3 滤波电路
• 6.4.4 箝位电路
• 6.5 实验结果与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要成果