基于虚拟同步发电机的双馈风机控制及输出特性研究

摘要

风电作为最有发展前途的可再生能源，在缓解能源短缺、改善环境恶化和优化能源结构等方面发挥了重要作用，得到全球各个风电资源丰富的国家大力开发利用。　　双馈感应风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)因其优良的变速恒频运行特性和经济的价格优势迅速占领我国风机主流市场，基于传统矢量控制的风电机组转子转速与电网频率电气隔离解耦，风力发电机无法响应电网因功率扰动引起的系统频率变化，对外未表现出惯性。近年来，随着风电的大力开发并网，电网中风电比例逐步提高，电力系统等效惯量降低。因此，通过研究新的控制策略，增加并网双馈风电系统惯性，使风电机组输出平滑有功功率以及提高并网风电机组对电网频率的有功支撑能力具有重要意义。本文以提高并网双馈风力发电系统的惯性响应和有功备用能力为控制目标，在现有研究成果的基础上，深入开展了如下几个方面的工作：　　本文分析了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)原理，在直流逆变仿真系统中对比分析了VSG控制与下垂控制策略，初步验证了VSG控制策略对于提高逆变系统惯性响应能力的有效性。针对传统矢量控制的DFIG转子转速与系统频率解耦，降低系统惯性响应能力的问题，设计了虚拟转子轴、虚拟调速器、虚拟励磁器和虚拟阻抗控制环节，将VSG控制策略应用到DFIG转子侧变换器控制上，并在2机系统中进行仿真验证。该策略赋予了DFIG类似于同步发电机参与系统频率响应的能力，并在系统频率跌落初期提供惯性支撑，明显改善了频率动态响应，缓解了同步发电机频率调节压力，同时由于引入转动惯量，DFIG有功输出、转子转速和频率变化更加平滑。　　根据实际风况，分析了风电机组在各运行区域工作特性，充分利用虚拟同步化DFIG惯性响应能力以及超速减载和变桨减载控制的有功备用优势，设计了基于VSG的DFIG分区减载运行控制策略，该策略明显改善了双馈发电机组因有功备用不足无法为系统提供持续有力惯性支撑的问题。　　最后，在MATLAB/Simulink仿真平台搭建了3机系统模型进行仿真验证分析，对比分析了最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制，VSG控制和基于VSG的DFIG分区减载控制策略为系统频率调整提供惯性支撑的效果，验证了所提分区减载控制策略的正确性和有效性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 风力发电技术概述

1.2.2 虚拟同步发电机技术

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文章节组织

第2章双馈风机的矢量控制理论

2.1 引言

2.2 DFIG数学模型

2.3.1 网侧变换器数学模型

2.3.2 网侧变换器运行控制

2.4.1 转子侧变换器数学模型

2.4.2 转子侧变换器运行控制

2.5 本章小结

第3章基于VSG方式运行的双馈风机控制策略

3.1 引言

3.2 VSG控制策略的基本原理

3.2.1 VSG理论基础

3.2.2 虚拟转子轴

3.2.3 虚拟调速器

3.2.4 虚拟励磁调节器

3.2.5 虚拟阻抗

3.2.6 VSG控制策略

3.2.7 基于VSG控制的逆变系统仿真分析

3.3 基于VSG控制的DFIG整体结构

3.4 双馈风机惯性的实现与分析

3.5 基于VSG控制的DFIG输出特性仿真分析

3.6 本章小结

第4章基于VSG的DFIG分区减载运行控制策略

4.1 引言

4.2 风电机组减载运行控制策略

4.2.1 风电机组功率跟踪控制

4.2.2 超速与变桨控制原理

4.3 变速风电机组分区减载运行控制策略

4.3.1 最大功率跟踪区减载运行控制策略

4.3.2 恒转速区减载运行控制策略

4.3.3 恒功率区减载运行控制策略

4.4 基于VSG的DFIG分区减载运行控制

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果