不平衡电网电压下双馈风力发电系统变流器控制策略研究

摘要

随着双馈风力发电机组装机容量的扩大和电网对风力发电并网的要求愈加严格，双馈风力发电系统的研究由电网电压正常情况下的并网运行控制转向电网电压不平衡下的运行研究。本文以双馈风力发电系统变流器在电网电压不平衡下的控制为研究对象，重点对电机侧和电网侧变流器在电网电压不平衡下的数学建模和控制策略进行研究，并通过仿真对控制策略的有效性进行了验证。
　　 首先分析了双馈风力发电系统变速恒频运行的原理，建立了电网电压正常条件下双馈电机和电网侧变流器在三相静止坐标系及两相旋转坐标系中的数学模型，并在数学模型的基础上，研究了电机侧变流器基于定子磁链定向的传统矢量控制，介绍了空间矢量脉宽调制的原理及实现，同时研究了电网侧变流器基于电网电压定向的传统矢量控制策略。
　　 其次介绍了对称分量法分析不平衡电压、电流矢量的原理，对电网电压不平衡时所包含的负序分量对双馈风力发电系统电机侧变流器和双馈电机的影响进行了分析，建立了不平衡电网电压下双馈电机在正负序旋转坐标系下的数学模型及控制方程，重点研究了不平衡电网电压下双dq转子电流控制策略，根据控制策略设定四种控制目标，并给出各个控制目标的正、负序转子电流指令的算法。
　　 随后对电网电压不平衡时所包含的负序分量对电网侧变流器的影响进行了分析，根据对称分量法，建立了电网侧变流器在正、负序旋转坐标系下的数学模型，重点研究了电网侧变流器的双dq电流控制策略及相应的控制目标电流指令算法。研究了不平衡电网电压下电网侧变流器配合电机侧的协调控制，抑制双馈风力发电系统向电网输出的总功率中的脉动。对于一种比较特殊的电网电压不平衡情况，即电网单相断电重合闸情况下电网侧变流器的控制策略进行研究，采用比例谐振控制器实现电网侧变流器在电网单相断电重合闸期间的连续控制。
　　 作为对理论分析的验证，本文基于MATLAB的软件环境对1.5MW双馈风力发电系统的各种运行情况进行了仿真分析，分别研究了采用传统矢量控制时双馈风力发电系统变流器在正常电网电压和不平衡电网电压下的运行特性，通过仿真比较了采用传统矢量控制和双dq电流控制对双馈风力发电系统的控制性能，并对电网电压不平衡下不同控制目标的仿真结果进行比较分析。最后对电网单相断电重合闸情况下电网侧变流器的控制策略进行了仿真研究，验证了电网单相断电重合闸时控制策略的可行性。