双馈型风力发电机组用变流器控制策略的研究

摘要

随着能源消耗的不断加剧，能源危机已经成为制约人类社会发展的头等问题。传统化石能源的不可再生性以及消耗过程中带来的多种环境问题迫使人们寻找新的替代能源。在新能源中，风力发电以其技术及成本的优势已经具备了大规模装机的条件，并且逐步向大单机容量、海上风电的方向发展。
　　 在风力发电机组中，采用双馈感应发电机的变速恒频系统能够随风速变化变速运行以保持恒频输出，有利于维持电网的稳定；转子侧变换器的容量小(约为全功率的30％)，并且具有良好的控制特性，因此双馈式风力发电系统在风电机组中得到了广泛应用。但我国的大功率机组控制及制造技术还主要靠从别国引进，自主研发能力仍有待增强。在这种背景下，本文设计了基于双馈式感应电机的风力发电控制系统。
　　 本文对自然风速进行了建模仿真，分析了风力机的输出功率和风能利用系数的关系，并在此基础上利用直接转速控制实现了最大风能追踪；对风力发电系统在不同风速时的四种运行状态进行了分析讨论，为实现对转子侧变流器的控制提供了基础。
　　 分析了双馈感应电机分别在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型，并采用基于定子磁场定向的矢量控制技术对转子侧变流器设计了控制系统。在系统中采用了功率转速双闭环结构得到转子侧电流的参考值，由此采用电流滞环PWM控制技术对转子侧变流器实现了有功功率和无功功率的解耦控制。
　　 分析了网侧变流器的拓扑结构以及数学模型，采用基于定子电压定向的矢量控制技术对网侧变流器设计了控制系统。在系统中应用了电流和电压双闭环结构，使直流侧电压保持恒定，实现了在单位功率因数下的运行。
　　 分析了电网电压跌落对系统的影响以及实现低压穿越的几种转子侧保护电路拓扑结构；采用二极管整流桥和IGBT加电阻的拓扑结构，在电网电压发生三相对称故障时采用dq变换法实时检测电网电压的跌落；并针对电压跌落对系统的动态响应进行仿真。
　　 在PSCAD/EMTDC仿真环境中对系统进行了整体建模仿真。结果表明在不同的风速下该系统可以实现最大风能追踪；转子侧变流器很好的实现了有功功率和无功功率的解耦控制，在风速变化时，可以保持定子侧频率的稳定；网侧变流器在不同风速下保持了直流侧电压的稳定；在电网电压发生大幅跌落，采用转子保护电路的系统可以实现低压穿越。