风力发电网侧LCL-VSR及其电压跌落控制的研究

论文摘要

网侧变流器在风力发电机组中一直扮演着重要的角色,而随着系统功率等级的增加,LCL滤波器在并网变流器中的应用也越来越广泛。由于LCL滤波器为三阶系统,控制比较复杂,稳定性变差,且目前的常用的控策略未能实现网侧电流直接控制。针对这些缺点,首先对带LCL型滤波器的三相电压型PWM变流器（LCL-VSC）进行数学建模,研究系统中各变量对控制的影响,从而为控制策略的提出奠定充分的理论基础。在对控制对象充分研究的基础上,提出基于陷波算法的有源阻尼控制,并对前馈变量做了合理的选择,从而实现了网侧电流直接控制。由于此方法需要滤波电容电流值,为了不增加传感器数量,本文进一步引入虚拟磁链的概念,可以很好的对电容电流进行估算。网侧变流器需要克服的另一个问题就是电压跌落。随着风力发电在电网中的比例日益增加,电网对风电机组的要求也越来越高,低电压穿越技术（LVRT）就是其中一项重要指标。要实现此控制策略,很重要的一点就是在电网电压跌落条件下能够很好的对网侧变流器进行控制,使得直流侧电压稳定在一定范围内。本文结合风力发电机组中常用的交直交结构,将功率平衡概念引入并网变流器控制。对于一般性的扰动,可以很好的维持直流侧电压恒定,而对于电压跌落不严重的情况能够很好限制直流侧电压波动,保证对双馈电机的控制性能,避免撬棒的不必要投切。文章还在功率平衡控制基础上,为了能够对直流侧支撑电容进行定量分析,进一步引入电容值最小化设计。考虑在某种极端条件下,所能导致的直流侧电压波动幅值,结合设计约束条件,可以很快计算出直流侧电容理论最小值。在电压跌落控制中,结合变流器的容量,适当放宽直流侧电容设计裕度,可以进一步完善网侧变流器的电压跌落控制。这种方法对实际系统设计也具有很好的理论指导意义。完成了15KVA交直交实验样机的研制,包括带LCL滤波器的并网变流器侧（LCL-VSC）及负载逆变器侧。观测在本文所提有源阻尼方案加入前后系统各变量的波形,与理论分析及仿真相吻合,验证了有源阻尼对改善系统稳定的有效性;对电压跌落控制也做了相关实验,在一定程度程度上证明了本文所述理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与选题意义
• 1.1.1 风力发电意义和前景
• 1.1.2 电压跌落概述
• 1.1.3 论文选题意义
• 1.2 风力发电网侧变流器研究现状
• 1.2.1 拓扑结构与参数设计
• 1.2.2 阻尼控制策略研究
• 1.2.3 电压跌落控制研究
• 1.3 本论文所做的研究工作
• 1.3.1 有源阻尼算法研究
• 1.3.2 基于功率平衡控制策略抑制电压跌落的影响
• 1.3.3 电容最小化算法研究
• 第二章 网侧LCL-VSR 有源阻尼算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 LCL-VSC 数学建模
• 2.2.1 三相静止（a , b, c）坐标系下的数学模型
• 2.2.2 两相旋转坐标系（d, q）下的数学模型
• 2.3 基于陷波器算法实现LCL 变流器网侧电流直接控制
• 2.3.1 系统控制结构
• 2.3.2 电容电流估算
• 2.3.3 控制器参数设计
• 2.4 系统仿真分析
• 2.5 总结
• 第三章 基于功率平衡方法实现电压跌落控制的研究
• 3.1 引言
• 3.2 主从控制策略
• 3.2.1 系统功率动态特性
• 3.2.2 主从控制模型
• 3.3 电容电流直接控制
• 3.3.1 电容电流内环控制结构
• 3.3.2 数字微分器的构造
• 3.4 改进的负载前馈控制策略
• 3.4.1 控制模型构造
• 3.4.2 小信号模型分析
• 3.5 抑制电压跌落影响的控制研究
• 3.5.1 直流侧电压波动分析
• 3.5.2 改进负载前馈对电压跌落的控制
• 3.6 系统仿真验证
• 3.7 总结
• 第四章 直流侧最小电容值算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 传统直流侧电容设计
• 4.2.1 满足直流电压跟随性指标时的电容设计
• 4.2.2 满足直流电压抗扰性指标时的电容设计
• 4.3 基于瞬态功率平衡的电容设计
• 4.3.1 直流侧电容的最大能量变化值
• 4.3.2 电容下限值计算
• 4.4 系统仿真验证
• 4.5 总结
• 第五章 实验系统设计与实验分析
• 5.1 硬件平台设计
• 5.1.1 交直交系统主电路参数选择
• 5.1.2 控制电路设计
• 5.2 系统软件结构设计
• 5.3 实验结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 实验平台
• 攻读硕士学位期间发表的论文