双馈异步风力发电机在电网电压不对称故障条件下的运行研究

论文摘要

随着环境危机的日益严重,以风电为主的可再生能源已成为现代社会发展的需求。而能源危机又迫使着风力发电机组的装机容量不断增大,然而随着风电系统装机容量的增大,它对电网的影响也日趋显著。因此,电力系统对风力发电系统的运行提出了苛刻的要求,即风力发电系统发出的电能质量必须良好,并且必须具有低电压故障穿越(LVRT)能力。因此,本文在电网电压不对称跌落的故障条件下,对变速恒频(VSCF)双馈异步风力发电机(DFIG)励磁用背靠背式双PWM变换器的基础理论及控制策略进行了从理论到仿真,从仿真到实验的全方位深入研究。本文首先对采用传统控制策略的DFIG用背靠背式双PWM变换器在电网电压不对称故障跌落条件下的运行性能进行了研究与实验验证,并针对其所存在的问题进行了深入的讨论,介绍了解决此问题的方法与思路,并分网侧变换器与转子侧变换器两部分分别进行深入研究。在电网电压不对称跌落故障条件下,研究了网侧变换器分别在电网角速度正、反向同步旋转dq坐标系下的数学模型,给出了瞬时功率模型,并介绍了提高网侧变换器故障穿越运行(FRT)能力的三种控制目标,研究了双dq、PI电网电流控制器,即对正转dq坐标系下的电流正序分量和反转dq坐标系下的电流负序分量分别进行控制的电流控制器。采用此控制策略可分别实现网侧变换器的三种控制目标,然而,由于其在电流内环存在着正、负序分解环节,此环节所采用的陷波器必将给电流控制内环带来延时,从而造成系统动态性能下降。针对此缺点,本文介绍了一种在静止αβ坐标系下实现正、负序电流控制的比例谐振(PR)电流控制器,采用此电流控制器,无需对电流进行正、负序分解,因此在电流内环无此环节带来的延时,从而动态性能得到了改善。并先后通过仿真和实验对所介绍两种控制策略进行了对比论证,仿真与实验结果证明了所作理论研究与分析的正确性和有效性。针对于转子侧变换器,在电网电压不对称故障条件下,由于定子电压、电流,转子电流均存在着负序分量,因此传统的PI电流控制器无法实现转子电流正、负序分量的分别控制,因此控制性能差。针对此问题,本文首先介绍了正、反转同步dq坐标系下的DFIG数学模型,并讨论了提高转子侧变换器故障穿越运行能力的四种控制目标,研究了双dq、PI转子电流控制器,与网侧变换器相同,由于双dq、PI转子电流控制器需同时在正、反转同步坐标系下对转子电流进行正、负序分解,因此,转子侧变换器系统的动态性能将受影响,从而造成转子侧变换器的故障穿越能力下降。因此,本文在转子侧变换器也介绍了一种在定子静止αβ坐标系下实现转子电流无差控制的PR控制器。最后,通过实验结果的对比论证,首先证明了两种控制策略均能分别实现四种控制目标,满足电网电压不对称故障条件下的运行要求,随后表明了PR转子电流控制器具有比双dq、PI转子电流控制器更好的动态性能。最后本文通过对一台15kw样机系统的设计与研制,进一步验证了所研究的网侧变换器与转子侧变换器的控制策略具有协调兼容性,满足了系统的故障穿越运行要求。并以实验的角度验证了本文所研究理论的正确性。

论文目录

• 致谢
• 前言
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 图表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 能源危机、环境危机
• 1.1.2 可再生能源的发展
• 1.2 理想电网条件下风力发电技术的发展与现状
• 1.2.1 我国的风能资源分布
• 1.2.2 风力发电系统的拓扑结构
• 1.2.2.1 风力机的变浆距调节
• 1.2.2.2 变速恒频风力发电机
• 1.2.3 变速恒频DFIG风力发电系统的运行机理及控制策略
• 1.2.3.1 网侧变换器系统的运行机理及控制策略
• 1.2.3.2 转子侧变换器系统的运行机理与控制策略
• 1.3 不对称电网条件下风力发电技术的研究热点
• 1.3.1 常见的电网电压故障类型
• 1.3.2 传统矢量控制在不对称电网电压故障条件下的控制性能
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第2章 电网电压不对称故障条件下双馈风力发电系统网侧变换器建模与控制
• 2.1 引言
• 2.2 网侧变换器数学模型与控制策略研究
• 2.2.1 电网不对称故障下并网逆变器的数学模型
• 2.2.2 双dq、PI电流控制器控制策略
• 2.2.2.1 并网逆变器在双dq坐标系下的数学模型
• 2.2.2.2 电网电压故障下的功率模型
• 2.2.2.3 双dq、PI电流控制器系统的设计与实现
• 2.2.3 比例谐振（PR）电流控制器控制策略
• 2.2.3.1 PR电流调节器的设计
• 2.2.3.2 PR电流调节器的数字实现
• 2.2.3.3 采用PR电流控制器的并网逆变器的控制框图
• 2.3 直流母线电压控制
• 2.4 仿真结果
• 2.4.1 并网逆变器系统仿真结果
• 2.4.2 网侧PWM型整流器系统仿真结果
• 2.5 实验结果
• 2.5.1 并网逆变器实验结果
• 2.5.2 网侧PWM整流器实验波形
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 电网电压不对称故障条件下双馈异步风力发电系统转子侧变换器建模与控制
• 3.1 引言
• 3.2 转子侧变换器的数学模型与控制策略
• 3.2.1 电网电压不对称条件下的DFIG的数学建模
• 3.2.1.1 DFIG数学模型
• 3.2.1.2 DFIG瞬时功率模型
• 3.2.2 双dq、PI转子电流控制策略
• 3.2.2.1 电网电压故障下的DFIG系统控制目标
• 3.2.2.2 双d-q、PI电流调节器的设计与实现
• 3.2.3 PR转子电流控制策略
• 3.2.3.1 定子αβ坐标系下的DFIG数学模型
• 3.2.3.2 PR电流调节器的设计
• 3.2.3.3 PR电流调节器的参数优化
• 3.2.3.4 PR电流调节器的数字实现
• 3.2.3.5 PR转子电流控制器的控制框图
• 3.3 系统试验
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 双馈异步风力发电实验系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 硬件系统的设计
• 4.2.1 网侧变换器的硬件结构及设计
• 4.2.2 转子侧变换器的硬件结构及设计
• 4.2.3 硬件系统保护设计
• 4.3 软件系统的设计
• 4.3.1 网侧变换器的软件结构及设计
• 4.3.1.1 采用传统PI电流调节器、PI电压调节器的软件结构及设计
• 4.3.1.2 采用双dq、PI电流调节器、PI电压调节器的软件结构及设计
• 4.3.1.3 采用PR电流调节器、PI电压调节器的软件结构及设计
• 4.3.2 转子侧变换器的软件结构及设计
• 4.3.2.1 采用传统PI转子电流调节器的软件结构及设计
• 4.3.2.2 采用双dq、PI转子电流调节器的软件结构及设计
• 4.3.2.3 采用PR转子电流调节器的软件结构及设计
• 4.4 系统联调实验
• 4.4.1 理想电网条件下的系统联调实验
• 4.4.2 电网不对称故障条件下的系统联调实验
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文的主要结论与创新点
• 5.2 后续研究工作展望
• 攻读硕士学位期间研究成果