不对称电网故障下并网逆变器的控制策略研究

摘要

随着风电产业的快速发展，风电并网后对电力系统的运行调度、电网电压和频率稳定以及电能质量的影响日益显现。由于风场选址布局的特殊性，大多数风电场远离电力主系统和负荷中心，多与薄弱电网相连接，电网电压的闪变、不平衡和频率波动等将给风电机组的正常运行造成影响，特别是当电网电压短时跌落或短路故障时，将引起风电系统过流保护，继而导致整个机组从电网切除。大范围风电机组脱网后，可能导致电力系统局部潮流突变，系统频率波动，从而使故障电网更加恶化，甚至引发大面积停电事故。因此进行电网不平衡条件下风电机组的运行与控制研究，提高风电机组的故障穿越能力将具有重要理论意义和实际价值。本文以背靠背双PWM变流器的直驱永磁同步风电机组(directly-drivenwindturbinewithpermanentmagnetsynchronousgenerator，D-PMSG)为研究对象，主要工作包括以下三个方面。
　　 首先，简要介绍了D-PMSG的结构及其工作原理，给出了风力机的数学模型、永磁同步发电机的数学模型和并网逆变器(GCI)的数学模型，并研究了D-PMSG的控制系统，主要包括风力机的桨距角控制系统、发电机侧整流器的控制系统和电网侧逆变器的控制系统。
　　 其次，在分析了不对称电网电压故障下D-PMSG并网逆变器的数学模型和直流母线电压波动机理的基础上，将陷波器应用于传统锁相环控制算法中，提出了基于新型锁相环的双电流闭环控制策略，来抑制直流母线电压的波动，维护风电机组的稳定运行，实现机组的低电压穿越。
　　 再次，在电网电压不对称故障下，通过将比例积分谐振调节器引入到D-PMSG并网逆变器的控制过程，无需同步旋转变换，可直接在两相静止坐标系中对输出电压和电流进行控制，稳定直流母线电压，并结合能量卸荷电路减少了入网功率，抑制电网电流的升高，来完成风电机组在电网发生不对称故障下的不脱网运行。
　　 最后，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC环境下建立1.5MW直驱永磁风力发电系统仿真模型，该新型直接功率控制策略结构简单，仿真结果表明，在不平衡电网电压下，结合能量卸荷电路的新型直接功率控制策略能够实现单位功率因数控制，具有良好的动态性能，并有效地抑制了直流母线电压和电网电流的升高，增强不对称电网电压故障下直驱永磁风力发电机组的不间断运行能力。