双馈风力发电机交流励磁和暂态控制研究

摘要

双馈风电机组配备的变流励磁装置容量较小、控制性能好，在世界范围内已获得了最大的风力发电装机份额。由于MW级大规模风电接入的电网往往远离负荷中心，电网薄弱。双馈风电变流器只提供机组的滑差容量，在电网故障条件下的暂态运行能力成为目前双馈风电机组大规模接入的技术瓶颈，大规模风电解裂的风险日益凸显。本文围绕双馈变流技术展开研究，建立系统数学模型，研究双馈风电机组在电网故障条件下的暂态特性和控制方法，以期提升双馈发电机对故障电网的适应性和降低暂态冲击对电力系统的影响。
　　本文的主要内容如下：
　　1.研究网侧变流器正负序解耦控制算法。分析网侧变流器输出电压与逆变有功电流最大值的空间矢量关系，提出一种基于最大直流母线电压利用率的功率逆变控制方法，抑制暂态过程中的直流母线过电压。针对电网电压不平衡条件下双馈发电机定子侧存在负序电流的问题，提出一种基于网侧变流控制的负序电流补偿策略。在电网电压不平衡故障条件下，以变流器直流母线电压的指令量为基准，分析交直流功率的积分对直流母线电压的影响，实现直流母线电压脉动频率和幅值的解析，得出直流母线电压脉动幅值对负序电流补偿能力的约束条件，最大限度地实现负序电流补偿和减小风电机组注入电力系统的负序电流。
　　2.针对双馈发电机定转子电流指令波动性大，转子控制电压-励磁电流传递函数惯性极小，转子变流器离散化控制时滞性严重影响机组的电能输出质量和稳定性，通过Pade'等效法对变流器的滞后环节进行近似描述，分析基于典型Ⅰ型系统的转子电流开环传递函数和相应的闭环传递函数，采用比例积分控制器实现转子电流内环控制。对转子电流闭环传递函数进行降阶，提出采用积分控制器实现定子电流外环控制的方法，推导基于典型Ⅰ型系统的定子电流外环开环传递函数和相应的闭环传递函数。根据变流器开关频率是影响定转子电流控制性能的主要因素，提出一种基于变流器开关频率函数的I-PI双电流闭环控制和参数整定方法，为双馈发电机的定转子电流控制器设计提供理论依据。
　　3.提出一种电网电压不平衡条件下的双馈系统电网支撑控制策略。针对电网末梢易产生严重电网故障、薄弱输配电线路阻抗比(R/X)较大和严重电网故障下转子变流器控制存在局限性的特点，在电网电压不平衡状态下以电网支撑为控制目标，利用高R/X比线路的压降，建立正序电压支撑(Positive Sequency-Voltage Support，简称PS-VS)和负序电压抑制(Negative Sequency-Voltage Restrain，简称NS-VR)控制模型。针对正负序电压的快速解耦，在直流信号阶跃和两倍频交流信号输入条件下，研究陷波滤波器品质因数对陷波环节动态响应和暂态振荡特性的影响，给出品质因数的合理整定值。针对PS-VS和NS-VR模型，阐述正序有功电流和负序电流对电网接入点电压水平的支撑和不平衡度的抑制作用，定量分析双馈发电系统的额定容量对正序有功电流和负序电流输出的限制，研究PS-VS子功能和NS-VR子功能的容量分配方法，改善双馈风力发电系统在电网电压不平衡故障条件下的并网条件。
　　4.研究双馈风力发电机组crowbar触发期间的定转子暂态电流和crowbar电阻整定方法。通过微分方程的Laplace变换实现线性代数方程的联立，推导定转子暂态电流的频域和时域解析表达式。在时域中分析定转子暂态电流零输入和零状态响应的指数函数，研究电网电压突变和crowbar电路触发后的暂态电流衰减特性，揭示定转子暂态电流衰减时间常数在不同转速和crowbar阻值条件下的变化规律，提出一种基于暂态电流衰减时间常数设定的线性crowbar阻值整定方法，并提出一种线性crowbar电路与非线性三相不控整流crowbar电路的crowbar阻值折算原则，确保转子变流器在恢复励磁后具备可控性和无功补偿响应时间满足电网接入要求。
　　5.建立双馈发电机的暂态数学模型，通过计算定转子暂态磁链实现转子电流控制的精确前馈补偿，提出暂态过程的双馈发电机强励控制方法。在此基础上，研究两种强励控制策略。第一种策略通过动态观测定子暂态直流磁链空间矢量角，控制转子变流器输出直流灭磁电流，实现定子直流暂态磁链的快速衰减，并揭示转子灭磁电流归零过程影响灭磁效果的规律，推导转子变流器实现强励直流灭磁控制的必要条件;第二种策略通过电网故障电压的锁相和定子暂态直流磁链的观测，计算转子变流器的暂态电流指令，提出基于暂态直流磁链补偿的转子电流励磁策略。针对转子变流器的暂态励磁电流包含稳态交流分量和直流补偿分量，提出一种基于多分量增益的并联比例谐振控制策略，通过分析控制带宽整定控制器的参数，实现电网故障过程中定子电流的正弦控制。上述两类强励控制策略，突破现有crowbar技术在暂态过程中转子变流器存在闭锁失控、双馈机组对电力系统存在有功无功和不同频率分量交流电流冲击的弊端，为双馈风电机组电网接入性能的提高提供了新的思路。
　　6.搭建30kW双馈风电机组实验平台，进行电网电压不平衡条件下网侧变流器负序电流补偿实验、稳态并网和功率因数调节实验、基于非线性整流crowbar电路的低电压穿越暂态特性分析实验、基于暂态磁链补偿前馈的低电压穿越强励直流灭磁实验和基于定子电流正弦控制的低电压穿越强励控制实验。研制2MW双馈变流器，通过电抗器短路方式的电压跌落实验平台，按照《GBT19963-2011风电场接入电力系统技术规定》进行全功率低电压穿越实验，考核网侧变流器和转子侧变流器正负序解耦控制策略的动态性能。

目录

声明

摘要

图录

表录

第一章 绪论

§1．1．风力发电的意义和前景

§1．2．风力机空气动力特性

§1．3．风力发电系统概述

§1．3．1．风力发电系统控制和功率控制概述

§1．3．2．直驱型(半直驱型)风力发电技术概述

§1．3．3．双馈风力发电控制技术研究现状

§1．4．本文的研究内容和论文结构

第二章 双馈感应发电机的数学模型与特性分析

§2．1．引言

§2．2．三相对称绕组双馈感应电机运行功率特性

§2．3．交流励磁功率在绕组、频率归算中的等值计算

§2．4．本章小结

第三章 基于正负序解耦的网侧变流器控制研究

§3．1．引言

§3．2．网侧变流器控制模型

§3．2．1．三相静止坐标系中的数学模型

§3．2．2．两相旋转坐标系下的数学模型

§3．3．基于电网电压定向的网侧变流器控制研究

§3．4．一种基于网侧变流控制的负序电流补偿控制研究

§3．4．1．三维αβ0-dq0复空间的功率计算方法

§3．4．2．网侧变流器功率和直流母线电压脉动分析

§3．5．本章小结

第四章 基于定子磁链定向的双馈感应风力发电机正负序解耦矢量控制研究

§4．1．引言

§4．2．基于定子正负序磁链定向的转子正负序解耦励磁控制策略

§4．3．电压平衡状态下发电机定子PQ输出和转子电流数值区间分析

§4．3．1．双馈异步发电机等效电路的功率分析

§4．3．2．定子PQ输出和转子电流数值区间分析

§4．3．3．基于PQ工作点位移的双馈发电机控制方法

§4．3．4．基于PQ工作点位移的双馈发电机控制仿真

§4．4．一种基于开关频率函数的I-PI双电流闭环参数整定研究

§4．4．1．电流PI调节内环设计

§4．4．2．电流外环设计

§4．4．3．双电流闭环调节器参数整定函数自变量分析

§4．4．4．双电流闭环调节器参数整定仿真分析

§4．5．本章小结

第五章 基于电网故障暂态分析的双馈风电系统控制研究

§5．1．引言

§5．2．电压不平衡条件下双馈风电系统的PS-VS和NS-VR综合控制

§5．2．1．电压不平衡跌落条件下PS-VS和NS-VR的数学模型

§5．2．2．基于PS-VS和NS-VR控制目标的综合控制

§5．2．3．PS-VS和NS-VR控制目标的动态优化容量分配

§5．2．4．仿真分析

§5．3．基于频域分析的双馈发电机非线性crowbar电路线性化计算

§5．3．1．电网电压跌落时双馈机瞬态电流解析

§5．3．2．线性crowbar电路计算

§5．3．3．非线性crowbar电路的线性化分析

§5．3．4．crowbar电路仿真研究

§5．4．基于暂态磁链补偿前馈的双馈风电低电压穿越强励直流灭磁

§5．4．1．电网故障条件下暂态控制方程

§5．4．2．电网故障条件下的强励灭磁

§5．4．3．灭磁电流归零导数约束条件

§5．4．4．暂态强励灭磁可控性分析

§5．4．5．仿真分析

§5．5．基于定子电流正弦控制的双馈风电低电压穿越强励控制研究

§5．5．1．电网故障下的转子电流控制

§5．5．2．基于多分量增益的并联比仞谐振控制

§5．5．3．仿真分析

§5．6．本章小结

第六章 双馈风力发电系统实验研究

§6．1．引言

§6．2．30kW双馈发电机组实验平台

§8．3．电网电压不平衡条件下的网侧变流器负序电流补偿实验

§6．4．稳态并网和功率因数调节实验

§6．5．基于非线性整流crowbar电路的低电压穿越实验

§6．6．基于暂态磁链补偿前馈的低电压穿越强励直流灭磁实验

§6．7．基于定子电流正弦控制的双馈发电机低电压穿越强励控制实验

§6．8．2MW变流器低电压穿越实验

§6．9．本章小结

第七章 总结和展望

§7．1．全文总结

§7．2．未来研究展望

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研项目与成果

致谢