基于转子变流器控制的双馈风力发电低电压穿越技术

摘要

随着我国风力产业近年来迅猛发展，国网公司对于风电并网要求尤其是对风机低电压穿越标准进行了更加明确的规定。本文重点对双馈风力发电机稳态运行以及低电压穿越控制进行了理论分析和控制策略研究，分析了传统的crowbar低电压穿越控制策略存在的问题，在此基础上研究了基于转子侧变流器控制的低电压穿越策略，同时对其进行了仿真验证。
　　本文分析了采用背靠背变流器的双馈风力发电系统运行原理，以及正常电网电压下的双馈电机在三相坐标系以及两相旋转坐标系下的数学模型，并在此基础上介绍了经典的定子磁链定向的电机矢量控制策略，同时对网侧变流器的电路拓扑数学模型以及电网电压定向的双闭环控制进行了研究。
　　本文重点分析了电网电压发生跌落故障后的电机动态数学模型，从数学的角度上分析了电机的暂态过程，以及零序与负序分量所造成的危害及影响。并对在对称跌落下传统的crowbar控制策略及在不对称跌落下减小负序危害的电机不平衡控制进行了研究。
　　本文从电机暂态数学模型的角度出发，重点分析了应用电机转子侧变流器控制的低电压穿越控制策略，其中定子磁链衰减控制可以通过改变转子电流向量的方向实现磁链的快速衰减，磁链追踪控制可以通过对转子磁链的控制实现对转子侧过电流的抑制，提高了电机在电网电压故障下的控制性能。同时文章中通过对故障下无功电流极限输出能力的计算给出了一种合理的无功电流分配原则。
　　本文还分析了现阶段应用较为普遍的LCL型并网逆变器的控制策略，研究了虚拟阻抗的有源阻尼控制与消除电网电压扰动影响的状态前馈控制策略，提高了其作为网侧变流器的稳定性，使得风力发电系统中的背靠背变流器控制技术在应对电网故障时有着更高的可靠性。
　　作为对理论分析的验证，本文应用MATLAB软件对1.5MW双馈风力发电系统在电网电压正常下以及电压跌落的不同环境下进行了仿真研究，在双馈电机矢量控制的基础上，对传统低电压穿越控制中的crowbar电路控制以及双dq不平衡控制进行了仿真分析。针对crowbar控制策略存在的问题重点对基于转子侧变流器控制的低电压穿越策略进行了仿真研究，最后对LCL型的并网逆变器进行了电网故障下的仿真研究。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题背景

1．1．1 国内外风力发电背景

1．1．2 我国风力发电概况

1．2 双馈风力发电技术概述

1．3 低电压穿越技术概述

1．4 本论文主要研究内容

2 双馈电机风力发电系统建模及控制

2．1 双馈电机风力发电系统工作原理

2．2 双馈电机数学建模及电机侧变流器控制策略

2．2．1 双馈电机在三相静止ABC坐标系下的数学建模

2．2．2 双馈电机在两相旋转dq坐标系下的数学建模

2．2．3 电机侧变流器控制策略

2．3 电网侧变流器控制策略

2．3．1 电网侧变流器工作原理

2．3．2 电网侧变流器在三相静止ABC坐标系下的数学建模

2．3．3 电网侧变流器在两相旋转dq坐标系下的数学建模

2．3．4 电网侧变流器矢量控制策略

2．4 电机侧与电网侧变流器控制策略仿真波形与分析

2．4．1 电机侧变流器的矢量控制仿真

2．4．2 电网侧变流器的矢量控制仿真

3 双馈风力发电系统低电压穿越技术

3．1 低电压穿越技术简介

3．2 三相对称跌落故障中双馈电机的传统控制策略

3．2．1 跌落故障中双馈电机的电磁过渡过程分析

3．2．2 三相对称跌落故障中双馈电机的动态响应

3．2．3 低电压穿越中crowbar电路控制策略

3．3 三相不对称跌落故障中双馈电机的控制策略

3．3．1 三相不对称跌落故障中双馈电机的动态响应

3．3．2 不对称跌落时的转子侧基本控制策略

3．4 系统仿真波形及分析

3．4．1 对称跌落故障仿真

3．4．2 不对称跌落故障仿真

4 基于转子侧变流器控制的低电压穿越技术

4．1 基于转子侧的定子磁链衰减控制策略

4．1．1 定子磁链衰减控制原理分析

4．1．2 定子磁链衰减控制的实现

4．2 基于磁链追踪的双馈电机低电压穿越策略

4．2．1 基于磁链追踪的低电压穿越控制原理分析

4．2．2 基于磁链追踪的低电压穿越控制的实现

4．3 低电压穿越中的无功补偿控制

4．3．1 电机侧变流器无功电流控制

4．3．2 电网侧变流器无功电流控制

4．3．3 低电压穿越中无功电流比例的调节

4．4 系统仿真波形及分析

4．4．1 转子侧控制的定子磁链衰减仿真

4．4．2 基于磁链追踪的低电压穿越控制仿真

4．4．3 低电压穿越中的无功电流补偿控制仿真

5 电网侧变流器的低电压穿越控制策略

5．1 基于LCL滤波器的并网逆变器工作特点及数学模型

5．1．1 LCL并网逆变器的工作特点

5．1．2 LCL并网逆变器的数学模型

5．2 基于虚拟阻抗的LCL有源阻尼控制策略

5．3 电压跌落及电网谐波下状态前馈控制策略

5．4 系统仿真波形及分析

5．4．1 有源阻尼的LCL型变流器仿真

5．4．2 电压跌落及电网谐波下状态前馈控制仿真

6 结论

参考文献

作者简历

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