变速恒频双馈风电机组控制策略研究

论文摘要

近年来,能源危机和温室效应已成为全世界面临的重要问题,开发和利用新能源是缓解能源危机和消除温室效应的根本途径。新能源研究中的风力发电技术成为目前世界上发展最快的新能源发电技术。基于变速恒频（VSCF）发电方式的双馈风力发电机组（DFIG）不仅大大拓宽了机组并网的转速范围,更重要的是能够实现最大功率跟踪（MPPT）,同时调节电网的功率因数,在大幅度地降低风电上网成本的同时,提高了电网的稳定性。双馈风电机组已经成为世界上风力发电的主流机组。控制技术是风力发电技术的核心。双馈发电机参数受多种因素的影响其值会发生变化,这会影响双馈风电机组的控制性能。基于风力发电的迅猛发展和VSCF-DFIG控制技术的瓶颈约束,本文重在研究双馈风电机组的并网控制、并网后的运行控制以及参数扰动对并网和运行控制的影响。基于磁场定向的矢量控制方法在交流变频调速技术领域得到了广泛的应用,大大提高了调速的动态性能。交流励磁风力发电系统并网及运行控制的主要对象是双馈异步发电机,因而矢量控制在风力发电控制中也迅速得以应用。矢量控制本质上是一种解耦控制,且实现简单,故用以实现交流励磁风力发电系统有功-无功功率解耦控制是合理的。本文采用基于定子磁场定向的矢量控制方法分别推导了双馈风电机组的空载并网控制策略和有功-无功功率解耦控制策略。针对并网控制策略,设计了双馈风电机组开环并网控制算法和基于电压-电流反馈的双闭环控制算法;针对功率解耦控制策略,设计了双馈风电机组有功-无功功率解耦开环控制算法和基于功率-电流反馈的双闭环功率解耦控制算法。在分析了风力机特性的基础上,研究了双馈风电机组最大功率跟踪控制策略。另外,针对矢量控制对参数变化的敏感性,推导了电机参数扰动对机组空载并网控制影响的数学表达式;通过计算机数值仿真,对双馈发电机定子有功-无功功率受电机参数扰动的影响进行了研究。针对参数已知的双馈风力发电机组,在MATLAB7.0/SIMULINK平台下建立了空载并网控制、有功-无功功率解耦控制和最大功率跟踪控制的系统仿真模型,利用本文设计的控制算法来控制双馈发电机运行。仿真结果表明:所设计的控制算法能够满足机组并网的要求,实现了有功-无功功率的独立调节和最大功率跟踪控制,为控制策略的实施奠定了理论基础。电机参数扰动对双馈风电机组并网及运行控制影响分析为抗参数扰动控制策略的研究提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 并网型风力发电技术概述
• 1.3 变速恒频双馈风电机组的工作原理
• 1.4 变速恒频双馈风电机组控制技术概述
• 1.4.1 变速恒频双馈风电机组空载并网控制策略概述
• 1.4.2 变速恒频双馈风电机组运行控制策略概述
• 1.5 参数扰动对双馈风电机组控制的影响概述
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 变速恒频双馈风电机组空载并网控制
• 2.1 矢量控制
• 2.1.1 空间矢量的定义
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 矢量控制系统的基本思想
• 2.2 双馈异步电机的数学模型
• 2.2.1 双馈电机的基本原理
• 2.2.2 三相坐标系下的双馈异步电机数学模型
• 2.2.3 同步旋转坐标系下的双馈异步电机
• 2.3 双馈风电机组的矢量空载并网控制策略
• 2.3.1 空载并网控制的基本原理
• 2.3.2 双馈异步电机并网前的数学模型
• 2.3.3 基于定子磁链定向的矢量并网控制
• 2.3.4 定子磁链观测的方法
• 2.3.5 双馈风电机组空载并网开环控制和双闭环控制
• 2.4 电机参数扰动对并网控制的影响分析
• 2.4.1 转子电阻对定子电压的影响分析
• 2.4.2 转子自感对定子电压的影响分析
• 2.4.3 仿真分析
• 2.5 小结
• 第三章 变速恒频双馈风电机组运行控制
• 3.1 双馈风电机组运行控制的必要性
• 3.2 双馈风电机组的矢量有功-无功功率解耦控制策略
• 3.2.1 双馈异步电机并网后的数学模型
• 3.2.2 基于定子磁链定向的有功-无功功率解耦控制
• 3.2.3 双馈风电机组功率解耦开环控制
• 3.2.4 双馈风电机组功率解耦双闭环控制
• 3.3 双馈风电机组最大功率跟踪控制策略
• 3.3.1 风力机的基本特性和仿真模型
• 3.3.2 最大功率跟踪控制的实现
• 3.4 电机参数扰动对运行控制的影响分析
• 3.4.1 理论分析
• 3.4.2 仿真分析
• 3.5 小结
• 第四章 系统仿真研究
• 4.1 双馈风电机组空载并网控制的仿真
• 4.1.1 开环并网控制策略的仿真
• 4.1.2 基于电压-电流双闭环的并网控制仿真
• 4.2 双馈风电机组有功-无功功率解耦控制仿真
• 4.3 基于双闭环功率解耦控制的最大功率跟踪控制仿真
• 4.3.1 转子转速的调节过程
• 4.3.2 定子电流和转子电流的调节过程
• 4.3.3 定子有功功率和无功功率的调节过程
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢