直驱风力发电机组故障穿越控制策略研究

论文摘要

随着风电场的规模和风机单机容量越来越大,风电接入后对电网运行的影响也日益突出。电网规程要求风电机组具有电网故障穿越能力。直驱型风电机组通过全功率变流装置接入电网,一般认为全功率变换器将电网和发电机组解耦,对电网波动的适应性好,相比双馈结构更易穿越电网故障,具有较好的应用前景。直驱风电机组在电网故障下运行仍然会产生很多问题,特别是在不对称故障情况下,存在较多问题亟待解决。并网变流器同步信号的提取是直驱风电机组并网稳定运行的前提,本文将对准确提取电网同步信号的方法,以及直驱风电机组的故障穿越控制策略开展研究工作。在电网电压不对称和含有谐波的情况下,直驱风电机组中网侧换流器的控制需要提取电网电压的同步信号,并实现正负序分离。在电网电压畸变的情况下,现有提取同步信号和正负序分量的方法都受到谐波的干扰,本文提出一种基于解耦多同步参考坐标系的同步信号检测方法（DMRSF-PLL）,该方法通过在正负序dq轴系以及低次谐波的dq轴系分解,实现了多轴系dq分量的解耦,可以在电网电压不对称和含有谐波分量的情况下,快速提取出电网电压的频率和相位信息,同时还可得到正负序分量的dq轴变换结果。仿真结果表明提出的方法在电网电压不对称、频率变化和含有多次谐波情况下均具有很好的同步效果。将该方法应用到直驱风电机组并网系统中进行仿真验证,仿真结果表明该方法能消除电网电压谐波对输出电流的影响。根据电网故障特征,本论文首先分析了直驱风电机组（以永磁同步发电机组PMSG为参考）在故障运行条件下的功率关系,根据分析结果将电网故障情况下机组实现故障穿越所面临的问题总结为由电网电压正序分量有效值下降带来的“有功不平衡”和电网电压负序分量带来的“功率波动”两类问题。依据所总结的这两类问题,对目前直驱风力发电机组的故障穿越方法进行了总结,分析了不同方法的优缺点,提出了直驱风力发电系统的故障穿越控制仍然需要研究解决的问题。根据直驱风电机组在不对称故障情况下产生的网侧负序电流和直流母线电压波动的问题,本文提出了一种PMSG机组的控制策略,该控制策略可消除网侧变换器并网电流的负序分量和抑制直流母线电容电压的二倍工频波动。在网侧换流器的控制中采用电网负序电压前馈的方法来消除并网电流负序分量;在机侧变换器的控制中提出了一种新的发电机电磁功率跟踪控制思想,使发电机的输出功率跟踪网侧变换器的输出功率,抑制了不对称故障情况下直流母线电压的二倍工频纹波和限制直流侧电压上升,提高了不对称故障穿越能力。通过仿真分析,验证了故障各种工况下文中提出的控制方法的有效性。本文设计了数字控制三相并网变换器实验样机,给出了其软硬件的详细设计过程。利用该样机,对DMSRFPLL方法进行实验验证,实验结果表明提出的方法在电网电压不对称、频率变化和含有多次谐波情况下均具有很好的同步效果。在稳态工作情况下进行三相并网变换器实验研究,并给出了实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风电机组故障穿越并网要求
• 1.3 并网同步信号的提取的研究现状
• 1.4 直驱型风电机组故障穿越的研究现状
• 1.4.1 电网故障特征
• 1.4.2 直驱风力发电机组的拓扑结构
• 1.4.3 直驱风电机组故障穿越面临的问题
• 1.4.4 有功不平衡控制策略
• 1.4.5 功率波动控制策略
• 1.4.6 现有故障穿越控制方法优缺点比较
• 1.5 本论文的主要内容
• 2 直驱风电机组并网电压同步信号提取方法
• 2.1 DDSRF-PLL 及其性能分析
• 2.2 解耦多DQ 轴PLL 及其性能分析
• 2.2.1 解耦多dq 轴PLL
• 2.2.2 解耦多dq 轴PLL 性能分析
• 2.3 仿真验证
• 2.3.1 仿真验证
• 2.3.2 DMSRF-PLL 在PMSG 中的仿真验证
• 2.4 本章小节
• 3 直驱风电机组不对称故障穿越控制策略
• 3.1 不对称故障情况下PMSG 风力发电机组功率分析
• 3.2 不对称故障穿越控制策略
• 3.2.1 消除网侧并网电流负序分量控制方法
• 3.2.2 机侧发电机电磁功率跟踪并网波动功率控制策略
• 3.2.3 直流侧电压稳定的协调控制
• 3.3 影响不对称故障穿越控制响应速度的因素
• 3.4 不对称故障穿越控制策略的仿真验证
• 3.4.1 不对称故障类型
• 3.4.2 故障类型的选择
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 4 数字控制三相并网变换器设计和实验
• 4.1 主电路设计
• 4.1.1 电感设计
• 4.1.2 电容设计
• 4.1.3 三相IGBT 高频开关整流桥的选择
• 4.1.4 采样电路设计
• 4.2 控制电路设计
• 4.2.1 滤波电路
• 4.2.2 过电压、欠电压、过电流保护及复位电路
• 4.2.3 死区电路的设计
• 4.2.4 数字控制器
• 4.2.5 资源配置
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 整体结构设计
• 4.3.2 程序结构
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录