大型双馈风力发电机组并网转子励磁控制技术研究

摘要

随着化石能源的逐渐桔竭和环境保护问题的日益突出，可再生能源的获取和利用开始受到越来越多国家的重视。风力发电作为一种清洁的可再生能源的获取手段，已经在世界各地迅速发展起来。但是风能具有随机性、间歇性和不稳定性的特点，加之风力发电机组本身就是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，当大规模的风电场接入超高压输电系统时，可能会对整个电力系统原有的动态特性和稳定机理产生影响。因此，深入研究风力发电并网控制技术，为大规模风电顺利并网提供理论基础和技术支撑，成为了风电上网安全运行的关键。
　　本文对大型双馈感应式风力发电机(DFIG)的空载并网控制技术及其与电网中同步电机的交互作用进行了深入研究，提出了兆瓦级双馈风力发电机组并网运行的转子励磁电流和转子磁链的结构分散化模型。基于上述结构分散化模型，分别设计了用于DFIG空载并网的转子励磁电流自适应滑模变结构控制器和抑制DFIG功角突变的转子磁链滑模变结构控制器，以克服传统控制方法对系统参数变化和外界扰动的敏感性，实现了具有自适应能力的高性能双馈风力发电系统的并网运行控制，为双馈式风力发电系统并网运行控制技术的国产化提供理论支持。论文所完成的主要工作如下:
　　(1)通过分析双馈感应发电机转子dq轴电压、转子dq轴电流及定子磁链之间的关联关系，提出并建立了双馈感应发电机空载并网转子励磁电流的结构分散化模型，为转子励磁电流的控制器设计提供了模型基础。
　　(2)充分考虑空载并网过程中转子励磁电流控制器内部参数变动和外部扰动等不确定性因素的影响，提出了双馈感应发电机转子励磁电流自适应终端滑模控制策略，实现了双馈感应发电机转子励磁电流的变增益终端滑模控制，并确保其转子励磁电流跟踪误差在有限时间内收敛到零。仿真研究结果表明该方法能较好的实现双馈感应电机的空载并网控制，而且对系统内部参数变化和外部扰动具有较强的鲁棒性。
　　(3)深入研究了电网扰动下双馈风力发电机的动态特性，然后针对单机(DFIG)无穷大系统，以其功角和桨距角的动态变化为研究重点，对电网扰动下双馈发电机的特性及其对电网造成的影响进行了详细的对比分析，揭示了目前双馈感应发电机并网发电控制所存在的技术问题，仿真结果和动模试验表明了该理论分析的正确性。
　　(4)通过分析双馈感应发电机励磁变频器转子dq轴电压、转子dq轴磁链及定子dq轴电压之间的关联关系，建立起双馈感应发电机与同步电机并列运行时的转子磁链结构分散化模型，为转子磁链控制器设计提供了模型基础。
　　(5)通过深入研究“风火”混合输电系统在故障期间DFIG和SG的交互作用及其对电力系统暂态稳定性的影响，提出了以改善电力系统暂态稳定性为目标的DFIG转子磁链和DFIG风力发电机组桨距角的联合控制策略，实现了对双馈感应发电机和同步发电机并列运行时功角和桨距角的有效控制。仿真实验研究表明该控制策略一方面改善了DFIG受扰时的功角特性，另一方面增强了与之并列运行的同步电机的暂态稳定性，提高了系统抵抗外部扰动的能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 我国风电发展存在的几个关键问题

1．3 双馈式风电机组的组成

1．4 双馈式风电机组并网运行的研究内容和关键技术

1．4．1 双馈式风电机组并网控制技术研究现状

1．4．2 双馈式风电机组的建模

1．4．3 双馈感应发电机并网的暂态稳定性和低电压穿越能力

1．4．4 双馈式风力发电的网源协调技术

1．5 论文的主要工作

1．5．1 理论研究工作

1．5．2 实践工作

2 双馈式风力发电机组的数学模型及运行特性分析

2．1 引言

2．2 双馈风力发电机组的组成及运行原理

2．2．1 双馈风力发电机组的组成

2．2．2 双馈风力发电机的运行原理

2．3 风速数学模型

2．4 风力机数学模型

2．5 机械传动轴系模型

2．3．1 三质量块数学模型

2．5．2 二质量块数学模型

2．5．3 一质量块数学模型

2．6 dq坐标系下的双馈电机数学模型

2．7 dq坐标系下双馈电机的简化数学模型

2．8 本章小结

3 双馈风力发电机组并网的自适应滑模变结构励磁控制

3．1 引言

3．2 滑模变结构控制基本知识

3．2．1 滑模可达性条件

3．2．2 滑动模态的不变性

3．2．3 滑模变结构控制系统设计

3．3 双馈风力发电机组并网的滑模变结构励磁控制

3．3．1 双馈风力发电机空载并网控制策略分析

3．3．2 双馈风力发电机并网的空载运行状态分析

3．3．3 双馈风力发电机并网发电运行状态分析

3．4 双馈风力发电机空载并网的终端滑模励磁控制器设计

3，4．1 滑动模态对干扰和参数摄动的不变性条件分析

3．4．2 双馈风力发电机空载并网励磁电流终端滑模控制器设计

3．4．3 双馈风力发电机空载并网自适应终端滑模控制器设计

3．5 双馈风力发电机组空载并网控制算例仿真

3．5．1 双馈风力发电机理想空载运行仿真分析

3．5．2 广义扰动下双馈风力发电机空载运行仿真分析

3．5．3 双馈风力发电机空载并网全过程仿真分析

3．6 本章小结

4 DFIG风电场并网对系统暂态稳定性的影响及控制策略

4．1 双馈风力发电系统和电网的交互

4．2 DFIG功角的动态特性对电网的影响

4．3 电网故障对DFIG动态特性的影响

4．4 DFIG并网运行的控制策略

4．4．1 DFIG并网运行控制机理分析

4．4．2 转子磁链控制策略设计

4．4．3 DFIG和SG并列运行时转子磁链的终端滑模控制器设计

4．4．4 DFIG和SG并列运行时桨距角附加控制策略设计

4．5 DFIG磁链与桨距角联合优化控制算例分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 工作展望

参考文献

个人简历

致谢