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变速恒频双馈风电机组并网控制策略研究

关注热度:105   来源:新能源学术论文  作者:张学广
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【摘要】: 随着风力发电规模的迅速发展,风电在电网中的比例越来越大,大型风力发电机组的并网运行控制问题目前得到了广泛的关注。双馈风力发电机组是目前最广泛采用的风电机组类型,由于其自身结构的特点,其大规模的应用会给机组自身控制和电网安全稳定运行带来一系列的问题。为满足未来电网并网规约对风电机组运行的要求,本论文对双馈风电机组的并网运行控制策略进行了研究。研究内容主要包括: 建立了双馈发电机在电网同步坐标系下的数学模型,给出了双馈发电机阶段并网控制方法。根据双馈风力发电机运行的特点,针对双馈发电机并网前空载励磁阶段和并网后发电运行阶段分别采用了不同的无速度传感器矢量控制方案。在发电机并网前,根据双馈发电机空载时定子侧电压估计发电机并网前转速及转子位置,在并网运行阶段,采用一种基于双馈电机磁链关系的模型参考自适应方法进行转速及转子位置的跟踪。仿真和实验结果表明了这种方法的有效性。 双馈发电机组电网故障情况下的低电压穿越控制问题是本文研究的重点。根据双馈风力发电机内部的电磁关系,分析了理想三相对称短路情况下双馈发电机运行状态对短路电流的影响。在此基础上本文提出了一种基于电网电压矢量定向的双馈发电机灭磁控制策略。研究表明这种方法可以在电网电压跌落程度较小的情况下有效地减小双馈风力发电机定子磁链中直流暂态分量的影响,提高双馈风电系统的稳定性。研究了电网对称故障情况下基于active crowbar的双馈发电机的控制策略。通过crowbar的合理设计和控制,可以实现电网严重对称故障情况下的低电压穿越运行。 在风电机组的控制中,电网同步信息的准确获取是对风电机组控制的关键。针对传统的三相电网相角检测方法在电网波动及故障情况下的不足,本文提出了一种新型的数字锁相环设计方法。所提出的锁相环在正序负序双同步坐标系下,采用移相控制器消除电网不平衡电压带来的影响。针对电网频率偏移造成的移相的偏差,采用变周期采样的方法使系统有效的跟踪电网频率的变化。在电网不对称故障情况下,针对双馈发电机采用了正序和负序双同步坐标系下的矢量控制策略,分析了不同控制目标下所需的转子负序电流给定值。 针对网侧变换器的控制,本文在传统的PWM整流器矢量控制方法的基础上,改进了正序负序双同步坐标系下的矢量控制方法,这种方法既可以根据不同控制目标对正序负序电流进行单独控制,也可以有效避免采用双同步坐标系可能带来的谐波问题。针对目前广泛采用的LCL滤波器,提出了一种不需添加额外传感器的有源阻尼控制方法,实验结果验证了这种方法的有效性。 结合双馈风电机组的运行特点,提出了一种改进的配电网双馈风电场的电压控制策略。其中既包括传统的通过无功功率控制电网电压的方法也包括电网负序电压的补偿控制策略。给出了双馈风电机组不同运行状态下的无功功率的计算方法,阐述了双馈风电机组的无功功率控制方法及通过风电场无功功率控制电网电压的方法。针对电网电压不平衡的情况,给出了通过双馈风电机组抑制电网负序电压影响的控制方法,分析了双馈机组的控制电网负序电压的限制条件和控制策略。研究结果表明这种电压控制方法在风电场配电网连接条件下可以有效地提高风电场及机组运行的稳定性。 研制了一套双馈风电机组实验室模拟平台。模拟平台上目前能够实现双馈发电机的无冲击并网运行控制,亚同步到超同步区间的变速恒频运行,发电机的有功无功功率解耦控制以及功率变换器的能量双向流动控制等功能。在实验室模拟平台基础上,以一个实际工程项目为背景研制了一套1.5MW双馈发电机组的功率变换器控制系统,并在试验站完成了部分地面测试。
【关键词】:风力发电 双馈风电机组 电网故障 低电压穿越 矢量控制 PWM变换器 风电场电压控制
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM614
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-13
  • 第1章 绪论13-32
  • 1.1 课题背景及研究的目的和意义13-14
  • 1.2 风力发电技术发展研究现状14-20
  • 1.2.1 风力发电系统常用的机组类型及发展趋势14-18
  • 1.2.2 风电机组并网运行要求18-20
  • 1.3 双馈风电机组的并网控制策略20-30
  • 1.3.1 网侧变换器控制技术21-23
  • 1.3.2 常规条件下双馈发电机控制技术23-24
  • 1.3.3 电网故障情况下双馈风电机组控制策略24-30
  • 1.3.4 双馈风电场电压及无功功率控制技术30
  • 1.4 本论文的主要研究内容30-32
  • 第2章 双馈发电机的矢量控制技术研究32-44
  • 2.1 引言32
  • 2.2 双馈发电机的数学模型32-36
  • 2.3 双馈发电机矢量控制方法36-37
  • 2.4 双馈发电机无速度传感器矢量控制方法37-43
  • 2.4.1 双馈电机无速度传感器空载励磁控制38-39
  • 2.4.2 发电运行阶段无速度传感器控制39-41
  • 2.4.3 仿真及实验结果41-43
  • 2.5 本章小结43-44
  • 第3章 电网对称故障情况下双馈发电机控制策略研究44-66
  • 3.1 引言44
  • 3.2 电网故障及风电机组运行标准简介44-48
  • 3.2.1 电网故障简介44-46
  • 3.2.2 风电机组低电压穿越要求46-48
  • 3.3 电网对称故障对双馈发电机的影响48-56
  • 3.3.1 对称故障时定子磁链变化48-49
  • 3.3.2 双馈发电机短路电流分析49-55
  • 3.3.3 非理想情况三相对称故障影响55-56
  • 3.4 双馈机组active crowbar 控制策略56-59
  • 3.4.1 Active crowbar 结构及控制方法56-57
  • 3.4.2 Active crowbar 仿真分析57-59
  • 3.5 双馈发电机灭磁控制策略研究59-65
  • 3.5.1 双馈电网电压矢量控制稳定性分析60-61
  • 3.5.2 所提出的新型灭磁控制策略及分析61-63
  • 3.5.3 灭磁控制策略仿真研究63-65
  • 3.6 本章小结65-66
  • 第4章 电网不对称故障检测及双馈发电机控制策略66-86
  • 4.1 引言66
  • 4.2 电网不平衡情况下电网同步信息检测方法66-74
  • 4.2.1 传统的检测方法66-67
  • 4.2.2 所提出新型锁相环原理67-73
  • 4.2.3 新型锁相环实验分析73-74
  • 4.3 电网不平衡条件下双馈发电机控制策略研究74-85
  • 4.3.1 双馈电机电网不平衡条件下数学模型74-76
  • 4.3.2 双馈发电机双同步坐标系下矢量控制方法76-77
  • 4.3.3 电网不平衡条件下双馈发电机可控运行范围77-79
  • 4.3.4 电网不平衡条件下双馈电机控制仿真分析79-85
  • 4.4 本章小结85-86
  • 第5章 双馈风电机组网侧变换器控制策略研究86-101
  • 5.1 引言86
  • 5.2 网侧变换器数学模型及矢量控制方法86-88
  • 5.3 电网电压不平衡条件下网侧变换器控制策略88-95
  • 5.3.1 网侧变换器双同步坐标系下控制结构89-90
  • 5.3.2 网侧变换器双同步坐标系下功率分析及控制方法90-92
  • 5.3.3 改进的网侧变换器电网不平衡条件控制策略92-93
  • 5.3.4 实验研究93-95
  • 5.4 网侧变换器LCL 滤波器有源阻尼控制策略95-100
  • 5.4.1 LCL 滤波器结构及分析95-96
  • 5.4.2 滤波电容电流反馈有源阻尼控制96-98
  • 5.4.3 滤波电容电流估计方法98-99
  • 5.4.4 实验结果分析99-100
  • 5.5 本章小结100-101
  • 第6章 配电网双馈风电场电压控制策略101-111
  • 6.1 引言101
  • 6.2 双馈风电机组的无功控制策略101-104
  • 6.3 双馈风电场负序电压控制104-106
  • 6.3.1 双馈风电场负序电压控制原理104-105
  • 6.3.2 网侧变换器的负序电流的控制能力及控制方法105-106
  • 6.4 仿真结果分析106-110
  • 6.5 本章小结110-111
  • 第7章 双馈风电机组变换器系统设计及实验研究111-121
  • 7.1 引言111
  • 7.2 双馈发电机组实验室模拟平台111-114
  • 7.3 实验室模拟平台试验及分析114-118
  • 7.4 1.5MW 双馈功率变换器介绍118-120
  • 7.5 本章小结120-121
  • 结论121-123
  • 参考文献123-131
  • 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果131-133
  • 致谢133-134
  • 个人简历134


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关键词: 风力发电

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