兆瓦级双馈风力发电变流器及其控制

论文摘要

能源获取与环境保护并行是人类社会可持续发展需要解决的重要问题,风力发电作为最具发展潜力的新能源之一,时下受到了世界上许多国家的高度关注。采用双馈发电机的风力发电机组是一种主流机型,因其具有功率解耦、变速恒频运行、变频器容量小的优点而被广泛应用于大型风电场。本文以并网型变速恒频双馈风力发电系统为研究对象,对于矢量控制技术在其电压型双PWM变换器上的应用进行了详细的推导建模。本课题首先介绍了双馈风力发电系统变流控制中的几项关键技术,然后确定功率控制、最大风能捕获和电网电压故障时的改进控制策略为本文研究重点。由于系统性能除了取决于发电机,还取决于两个PWM变换器及其控制方式,文中采用dq解耦的矢量控制方法。为了使转子侧变换器实现有功功率和无功功率的解耦、功率因数可调节、最大功率点跟踪的功能,采用定子磁场定向的控制方式。为了使网侧PWM变换器实现直流侧母线电压恒定控制以及从电网上吸收无功功率的可控性,采用电网电压定向的控制方式。针对转子侧变换器直接控制目标的不同,可以采用定子有功功率和发电机机械转速作为外环建立控制模型。基于最大风能捕获的原理,分别给出电流(功率)模式和转速模式下的指令值计算方法。建立包括风力机,发电机,电网,双PWM变换器等在内的双馈风力发电系统动稳态仿真模型,通过仿真对比,结果表明两种模式都能实现最大风能捕获及良好的功率控制性能,转速模式具有比电流模式响应快的特点。但是,当转速或风速指令变化时,转速控制模式下系统存在着较大的转矩和功率脉动量大的现象。本文采用模糊逻辑控制代替PI控制的方法,经仿真验证,这种方法明显改善了PI控制的不足之处。在风能捕获过程中,由于传统矢量控制方法中没有考虑定子励磁电流的动态响应过程,这个误差在电网故障时会对系统产生极不稳定的作用,为此应考虑该响应过程,对控制模型进行修正。仿真结果显示,本文所采用的改进方案有效提升了系统的低电压穿越能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 世界风力发电发展现状及趋势
• 1.2.1 国际风力发电发展状况
• 1.2.2 国内风力发电发展状况
• 1.2.3 风力发电发展趋势
• 1.3 风力发电技术研究现状
• 1.3.1 恒速恒频与变速恒频风力发电
• 1.3.2 功率调节方式
• 1.3.3 变速恒频风力发电形式
• 1.4 双馈风力发电变流控制关键技术
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 双馈风力发电系统运行特性
• 2.1 双馈风力发电控制系统
• 2.2 变速恒频双馈风力发电系统运行特性
• 2.2.1 双PWM变换器励磁的双馈风力发电系统
• 2.2.2 风电系统的变速恒频运行
• 2.2.3 双馈风电系统功率流动关系
• 2.3 风力机特性及风能捕获
• 2.3.1 风力机运行特性及建模
• 2.3.2 最大风能捕获及其实现原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 双馈发电机的模型及矢量控制
• 3.1 引言
• 3.2 双馈风力发电机数学模型
• 3.2.1 双馈发电机的等效电路
• 3.2.2 双馈发电机的数学模型及矢量方程
• 3.3 双馈发电系统转子侧PWM变换器控制
• 3.3.1 基于磁场定向的双馈发电机矢量控制
• 3.3.2 定子磁链及角度的观测方法
• 3.3.3 转子侧变换器的控制模式
• 3.4 基于模糊PI的转子侧变换器控制设计
• 3.4.1 模糊控制系统基本原理
• 3.4.2 模糊控制器设计方法
• 3.4.3 转子侧变换器转速环的模糊PI控制器
• 3.5 两种控制模式下的最大风能追踪指令值
• 3.6 电网电压跌落时的改进控制方法
• 3.7 本章小结
• 第四章 双馈发电系统网侧PWM变换器的控制
• 4.1 引言
• 4.2 电网侧PWM变换器模型
• 4.2.1 网侧变换器工作原理
• 4.2.2 网侧变流器数学模型
• 4.2.3 中间直流环节
• 4.3 电网侧PWM变换器的控制
• 4.3.1 基于电网电压定向的矢量控制
• 4.3.2 网侧双闭环控制器的设计
• 4.3.3 直流侧电压及电容参数设计
• 4.3.4 交流侧电感参数设计及计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 双馈风力发电控制系统建模及仿真
• 5.1 双馈风力发电系统参数
• 5.2 控制系统各仿真模块
• 5.2.1 风力机仿真模块
• 5.2.2 双馈发电机模型及系统参数基准值
• 5.2.3 电网系统子模块
• 5.2.4 转子侧变换器矢量控制模块
• 5.2.5 网侧变换器矢量控制模块
• 5.2.6 整体控制框图
• 5.3 双馈风力发电控制系统仿真结果及分析
• 5.3.1 功率解耦及功率因数调节控制
• 5.3.2 电流控制模式与转速控制模式
• 5.3.3 转速追踪与最大风能捕获方案优选
• 5.3.4 基于模糊PI的转子侧变换器控制改进
• 5.3.5 电网电压故障情况仿真
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文