基于转子端电压控制的双馈型风电机组低电压穿越算法研究

摘要

双馈型风力发电机作为兆瓦级大功率变速风力发电机的主导机型，在快速发展的全球风电市场中占据着较大的比重。双馈电机(DFIG)定子直接与电网相耦合，在电网发生故障时定子磁链的过渡过程可能会在转子回路中激起较大的电流或电压，制约着风机组的低电压穿越(LVRT)运行。目前商业风机中主要采用在转子侧附加撬棒(Crowbar)卸载电路的形式，实现机组的不脱网运行。但在此过程中，DFIG失去了控制，这不仅导致LVRT过程中有功和无功功率无法得到有效控制，而且可能会产生较大的机械冲击。为此，如何减小Crowbar的动作，利用变流器自身最大限度地实现风电机组的LVRT运行成为当今学界研究的热门课题。本文力图从DFIG自身的电磁特性出发，针对其自身的运行特性，研究并提出了直接基于转子端电压控制技术的LVRT方案，最大限度地增加了机组的可控穿越范围。本文的研究工作可概括如下。
　　一、在建立数学模型的基础上，对DFIG基本矢量控制及电网电压故障时电磁暂态过程等进行了深入的分析与研究。
　　二、在分析DFIG灭磁控制机理的基础上，对课题组提出的虚拟电感自灭磁控制算法进行了更为深入研究和实验，相比与传统灭磁控制方案，所提出的虚拟电感自灭磁方案不仅能够进一步优化转子端电压，拓展可控故障范围，而且实现过程无需磁链计算。另外，该方案为直接转子端电压控制方案，是一种被动式的灭磁作用机制，其效果不依赖与转子电流控制环的动态响应。
　　三、尽管虚拟电感自灭磁控制方案可以获得较好的LVRT性能，但存在微分运行的不足，为此，本文在虚拟电感灭磁控制的基础上进一步提出了基于瞬态电感电动势跟踪的直接转子电压控制的LVRT方案。该方案利用滑模观测器实现转子瞬态电感电动势观测，并让转子端电压对感应电动势中暂态和负序成分进行跟踪控制。不仅实现了电感灭磁控制的目的，而且避免了虚拟电感中的微分运算。
　　四、在实验室构建了一套双馈风力发电系统模拟平台，并基于该平台开展相关实验研究。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 风电机组实现LVRT的意义

1．3 双馈型风电机组LVRT的研究现状

1．4 本文主要研究内容与创新

第二章 DFIG数学模型及矢量控制

2．1 DFIG数学模型

2．1．1 两相静止αβ坐标系下数学模型

2．1．2 两相同步旋转dq坐标系下数学模型

2．2 DFIG 运行原理和基本矢量控制

2．2．1 DFIG运行原理和运行特性

2．2．2 DFIG基本矢量控制

2．2．3 DFIG矢量控制系统稳定性分析

2．3 本章小结

第三章 电网电压故障情况下DFIG电磁暂态响应分析

3．1 电网电压故障类型

3．1．1 对称分量法

3．1．2 故障类型及故障电压的表示形式

3．2 电网故障时DFIG电磁响应分析

3．2．1 DFIG的电磁暂态物理概念及定性分析

3．2．2 电网故障情况下DFIG动态响应

3．3 本章小结

第四章 DFIG转子端电压控制及LVRT算法研究

4．1 常规灭磁控制算法

4．2 虚拟电感自灭磁控制算法研究

4．2．1 对称故障情况下的控制算法研究

4．2．2 非对称故障情况下的控制算法研究

4．3 基于瞬态电感电动势跟踪控制的LVRT算法研究

4．3．1 对称故障情况下瞬态电感电动势跟踪控制算法研究

4．3．2 非对称情况下瞬态电感电动势跟踪控制算法研究

4．4 本章小结

第五章 实验与分析

5．1 实验平台介绍

5．1．1 双馈型风电系统实验室模拟平台结构

5．1．2 变流控制系统硬件电路

5．1．3 控制算法

5．2 DFIG矢量控制实验

5．3 关键性算法的软件实现

5．3．1 磁链计算

5．3．2 陷波器、虚拟电感的实现

5．4 对称故障下DFIG虚拟电感自灭磁控制算法实验研究

5．5 非对称故障下DFIG虚拟电感自灭磁控制算法实验研究

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况