基于双馈电机的独立供电系统功率协调控制技术研究

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随着风能资源丰富的海岛、边防哨所、草原牧区等不便架设电力线路的地区微电网规模和容量的不断扩大,由风电机组和储能单元构建的独立供电系统成为当前主要的解决方案。基于双馈电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的风电机组具备容量较大,成本较低,结构灵活等优点,在独立供电系统中的适应性更强以及应用范围更广。传统DFIG构建的孤岛交流系统已经不能充分满足日趋复杂的多类型负荷供电和日益增加的大容量、中压直流微电网发展的需求,并且传统基于集中控制的功率协调控制策略无法充分适应风电在独立系统中的分布式接入。本文基于上述背景,分别研究了一种基于开绕组DFIG和储能构建的独立交直流混合供电系统和一种基于串联型传统DFIG和储能构建的独立中压直流供电系统的拓扑以及相应的功率协调控制策略,从建模分析、理论研究、稳定性分析、仿真验证等多角度开展工作。针对双馈电机结构灵活的特点,本文将开绕组DFIG应用到发电系统中,进行建模和阻抗分析。开绕组DFIG将传统DFIG的并联的变换器串联到定子绕组末端,这使其具备更低的直流母线电压,可以直接为直流负载供电,适用于构建独立交直流混合供电系统。提出了基于磁场定向的孤岛运行控制策略,为系统提供稳定的电压频率支撑。最后,在d-q坐标系下进行阻抗建模,通过广义奈奎斯特判据进行稳定性分析。针对独立供电系统中负荷类型日趋复杂,需要多类型供电的需求,应用上述开绕组DFIG和储能单元构建独立交直流混合供电系统,提出了相应的拓扑结构。基于此拓扑,针对风能随机波动的特点和孤岛系统可靠供电的需求,提出了一种基于分层控制的功率协调控制策略,在不需要额外的接口变换器的前提下实现了系统交、直流侧的功率协调,确保各个储能单元荷电状态(State of Charge,SOC)均衡,增强了系统的供电可靠性和可拓展性。针对孤岛直流电网容量日趋增加和电压等级日益增大的需求,提出了一种基于串联型传统DFIG和储能单元构建的独立直流供电系统。该拓扑大大降低了DFIG在中压直流供电系统中的升压成本,实现了储能单元低压直流到端口高压直流的高升压比。并提出基于低带宽通信的功率协调控制策略,实现各个单元间的功率协调以及储能单元的功率均衡,提高了系统的供电可靠性。
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