双馈风力发电系统并网控制策略研究

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风电技术的应用有利于解决我国当前的资源紧张和环境污染等问题,但目前的风电技术尚有不少亟待完善的问题。因此尽快成熟风电技术、发展风电产业对我国的电网规划与能源发展都有着非凡的意义。在风能行业中,双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)因具有构造简易、维修简单、成本低等优势,现已在兆瓦级以上的风机市场中有着举足轻重的地位,也必将成为未来的风机市场中的主流机型。本文就双馈风力发电系统在并网运行过程中的控制策略展开了研究。主要工作包括:(1)对双馈风力发电系统中各部分的功能与原理进行了论述。首先,结合数学模型对风力机特性进行了分析,并通过公式推导与绘制曲线图相结合的方法阐述了最大风能捕获的具体实现条件与工作机理。然后,构建了DFIG的数学模型,并绘制了等效物理模型与等效电路。最后,根据系统运行状态的不同,分析了双馈电机的转速关系、功率流动关系。(2)对网侧变流器进行了模型化处理,并研究了基于电网电压矢量定向的PI(Proportional Integral)控制策略。该控制具有较好的动态、稳定性能,但涉及到了多次旋转坐标变换。而且,由于前馈补偿项与耦合项的引入,致使系统的控制效果会被温度与电路参数所干扰。除此之外,在PI控制下的谐波补偿算法也十分复杂且繁琐。针对上述PI控制策略的不足,又进一步研究了准PR(Proportional Resonance)控制策略。当系统采用准PR控制时信号只需在静止坐标系之间转换,与PI控制相比省略了同步旋转坐标变换。而且,准PR控制没有涉及到前馈补偿项与耦合项,故排除了温度与电路参数对控制的干扰。另外,本文在控制系统中设计了锁相环与微分环节来计算电网的实时频率,并将其反馈给准PR控制器,确保了准PR控制器的谐振频率与电网实际频率的一致性,即实现了对网侧变流器的频率自适应调节。最后,仿真结果表明,准PR控制系统较之PI控制系统确实存在优越性,且具有良好的频率自适应调节功能。(3)建立了基于定子磁链矢量定向的转子侧变流器数学模型,并在此基础上研究了转子侧变流器的PI控制策略。考虑到在实际工作中风速的变化性与不确定性,转子电流的频率也会随风力机桨叶的转速变化而改变,故又提出具有频率自适应调节功能的准PR控制来替代PI控制。仿真结果表明,准PR控制系统较之PI控制系统可以更好的完成有功、无功的功率解耦控制任务,并具备更好的动态、稳态特性。(4)建立了转子侧变流器在矢量形式下的数学模型,并基于此构建了以转子电流为目标控制量的滑模控制矩阵方程。然后,结合电网电压跌落后系统内能量流动的特点,并从抑制转子因电网电压跌落而馈出的过剩电磁功率的角度入手,根据DFIG系统特点设计了基于滑模控制的低电压穿越控制策略。仿真结果表明,在该控制策略下,电网电压跌落后转子侧的过流与电磁转矩振荡现象都得到了明显抑制,显著增强了系统的低电压穿越能力。
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