基于感应电动势动态前馈补偿方案的双馈电机低电压穿越研究

摘要

随着能源危机与环境问题日益严峻，可持续发展的清洁能源备受关注。风能作为当今最具规模化开发潜力和商业化应用前景的新能源，相关产业迅速崛起。近十年，风电机组装机容量在电力系统所占比例不断攀升，风电场的安全稳定运行至关重要，各国纷纷对风电场并网提出相应的规范。电网故障时低电压穿越能力就是对风电机组的重要要求之一。双馈感应发电机以其变频器容量小，有功、无功可以独立解耦控制等优势成为风电机组的主流机型，然而双馈机组定子侧与电网直接相连，受电网故障影响大，因此提高双馈电机的低电压穿越能力具有重要意义，也一度成为研究热点。现有的低电压穿越技术主要分为增加硬件电路和改进励磁控制策略两种。改进励磁控制策略以不增加硬件为优势，在故障期间对暂态过程进行一定控制，以减小转子输出电流和转矩脉动。针对有限的转子变流器容量，通过改进转子电流指令抵消暂态过程磁链的直流、负序分量，从而降低励磁电压需求，满足转子侧容量约束，以度过故障期的励磁控制策略，在低电压穿越技术研究中备受青睐。
　　然而若控制器跟踪能力不够，改进励磁策略的控制效果将无法实现。本文针对大功率风电机组改进励磁控制策略的实现为研究内容。首先分析双馈电机的暂态过程和引起转子侧变流器过压过流的根本原因。随后对典型励磁控制策略进行研究，分析得到有利于实现低电压穿越的励磁控制实质上均以控制转子电流为目标，转子电流指令为消除跌落过程磁链中的直流、负序分量，在 dq旋转坐标系下存在工频和二倍频交流分量。传统 PI调节器面对转子电流指令与感应电动势扰动项在暂态过程中存在交流分量，大功率风电机组开关频率低，提高带宽能力受限等情况，电流环的跟踪和抗扰动能力都无法满足要求。本文基于典型改进电流指令励磁控制策略的暂态特性分析，得到感应电动势与转子电流指令存在一定关系，提出一种感应电动势动态前馈补偿方案，提高对转子电流指令交流分量的跟踪能力和对感应电动势交流分量的抗扰动能力，并给出动态前馈系数的设计过程。
　　本文选取典型的两种励磁控制策略，在大功率风机系统下仿真和小功率风机平台下实验，验证了感应电动势动态前馈补偿方案是可行有效的。仿真验证了该方案在反电流跟踪控制策略中，减小了电磁转矩脉动；在灭磁控制中，加快了转子电流的衰减速率；实验验证了前者。从仿真结果和实验现象可以看出，感应电动势动态前馈补偿方案能提高对转子电流指令交流分量的跟踪能力和对感应电动势交流分量的抗扰动能力，尽可能实现励磁控制策略的控制目标，充分发挥控制策略的自身优势。

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1 绪 论

1.1 风力发电概况

1.2 双馈电机低电压穿越技术研究现状

1.3 本文研究内容与方法

2 双馈电机暂态过程及励磁控制策略分析

2.1 双馈电机数学模型

2.2 双馈电机电磁暂态特性分析

2.3 励磁控制策略分析

2.4 传统控制器的跟踪问题

2.5 本章小结

3 双馈电机感应电动势动态前馈补偿方案

3.1 控制系统结构分析

3.2感应电动势动态前馈控制策略

3.3 感应电动势动态前馈控制策略仿真应用

3.4 本章小结

4 实验验证

4.1 实验平台

4.2 感应电动势动态前馈实验

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文及参与研究的课题

发表论文

参与研究的课题