適應電網環(huán)境的雙饋風電機組變流器諧振控制

【摘要】：隨著風電裝機容量的增長,各國開始要求風電機組能夠廣泛適應電網運行環(huán)境的變化,為此,風電機組應不斷開發(fā)先進技術來持續(xù)提高風電運行性能。我國風電機組大量安裝在偏遠地區(qū),通常為電網的末端,風電機組接入的電網可能較弱,在這類弱連接的電網中,電壓畸變和不平衡尤其突出。由于雙饋風電機組的發(fā)電機定子直接連接到電網,電網畸變和不平衡情況會嚴重影響機組的安全、可靠運行,必須解決電網畸變和不平衡情況下的雙饋風電機組電網適應性問題。 為提高風電機組對電網的適應性,本文著重開展以下三個方面內容的研究：1、雙饋風電機組在電網畸變情況下的控制策略,以增強風電機組應對畸變電網能力；2、滿足風電變流器模塊化結構設計要求的不平衡控制策略,降低電網不平衡對雙饋風電機組的影響,以提高風電機組可靠性；3、電網非理想情況下的鎖相控制策略,為先進控制技術的實現(xiàn)提供精確的電網相位和頻率信息。 本文第一章介紹了風力發(fā)電的基本現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,分析了風力發(fā)電系統(tǒng)的并網技術要求。針對本文主要的研究工作,歸納總結了電網畸變和不平衡情況下的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術研究現(xiàn)狀。 為了增強雙饋風電機組對畸變電網的適應性,本文第二章對電網畸變情況下雙饋風電機組的運行特性、矢量控制性能以及控制策略進行了分析和研究。首先,對傳統(tǒng)電流矢量策略在電網畸變情況下的運行性能進行評估,分析了傳統(tǒng)電流矢量控制策略的局限性；在此基礎上,提出了一種基于諧振控制器的定子電流諧波控制策略,分析了采用該控制策略后的雙饋系統(tǒng)諧波抑制能力,并進行仿真驗證；最后,在雙饋風電機組實驗平臺上對所提出的控制策略進行驗證,并與傳統(tǒng)電流矢量控制進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的實驗比較與分析。 本文第三章對應用于定子電流諧波控制的諧振控制器進行了分析和設計。分析了諧振控制器對控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和穩(wěn)定性的作用,給出了諧振控制器的一種系統(tǒng)性設計方法。針對諧振控制器對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,探討并分析了兩類適用于提高控制系統(tǒng)相位裕量的補償方法,并進行了仿真驗證。 為了增強雙饋風電機組對不平衡電網的適應性,本文第四章對電網不平衡情況下雙饋風電機組的運行特性、矢量控制性能以及控制策略進行了分析和研究。探討了傳統(tǒng)電流矢量控制方法對不平衡電網中負序電壓的控制阻尼,以此為基礎,評估了傳統(tǒng)電流矢量控制方法應對不平衡電網的能力；而后,提出了一種基于諧振控制器的定子電流平衡控制策略,對比了傳統(tǒng)電流矢量控制和定子電流平衡控制的抗不平衡能力,并進行了仿真和實驗驗證。同時,針對大型風電機組可靠性和模塊化設計要求,提出了利用電容電流控制來抑制直流電壓波動的網側變流器控制策略,評估了采用諧振控制結構的電容電流閉環(huán)控制對網側變流器運行性能提高所起的作用；針對電網不平衡時可能存在的三次諧波電流問題,探討了兩種改進的電容電流控制方案。最后,對電容電流控制方法進行了詳細的實驗驗證工作。 由于對電網電壓畸變、不平衡、瞬時跌落、頻率突變等非理想情況下可能對軟件鎖相造成影響,本文分析并設計了一種基于三相靜止坐標延時信號消除算法的軟件鎖相技術,進一步改善了鎖相系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能；最后,進行了仿真和實驗驗證工作。 本文第六章對本文的工作進行了總結,給出了本文的主要貢獻,并對后續(xù)研究工作作一展望。 【關鍵詞】：雙饋風力發(fā)電 雙饋變流器 電網適應性 諧波 三相不平衡 直流電壓 控制技術
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM46
【目錄】：

• 資助5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目錄11-14
• 第1章 緒論14-47
• 1.1 風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢14-20
• 1.1.1 風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展概況14-16
• 1.1.2 風力發(fā)電技術現(xiàn)狀與趨勢16-20
• 1.2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)概述20-28
• 1.2.1 基本硬件結構20-22
• 1.2.2 基本控制結構22-23
• 1.2.3 風電并網技術要求23-28
• 1.3 雙饋風電機組變流器控制技術的研究現(xiàn)狀28-44
• 1.3.1 雙饋風電機組的基本控制策略28-30
• 1.3.2 電網畸變時的雙饋風電機組控制技術30-32
• 1.3.3 電網不平衡時的雙饋風電機組控制技術32-40
• 1.3.4 電網非理想情況時的鎖相控制技術40-44
• 1.4 論文的意義與內容44-47
• 1.4.1 研究目標和意義44-45
• 1.4.2 論文主要研究內容45-47
• 第2章 基于諧振控制的雙饋風電機組定子電流諧波直接閉環(huán)控制技術47-81
• 2.1 電網畸變對雙饋風電機組的影響47-56
• 2.1.1 網側變流器的dq模型47-49
• 2.1.2 雙饋電機的dq模型49-52
• 2.1.3 電網畸變對雙饋發(fā)電機的影響52-56
• 2.2 電網畸變情況下雙饋風電機組控制系統(tǒng)性能評估56-62
• 2.2.1 雙饋風電機組的傳統(tǒng)矢量控制策略56-58
• 2.2.2 定子電流與電磁轉矩的諧波58-62
• 2.3 基于諧振控制的定子電流諧波直接閉環(huán)控制策略62-75
• 2.3.1 采用諧振控制器的定子電流諧波控制方案62-65
• 2.3.2 定子電流諧波直接閉環(huán)控制方法的分析65-67
• 2.3.3 所要求的直流電壓67-71
• 2.3.4 仿真結果71-75
• 2.4 實驗分析75-80
• 2.4.1 實驗條件75-77
• 2.4.2 實驗結果77-80
• 2.5 本章小結80-81
• 第3章 定子電流諧波直接閉環(huán)控制系統(tǒng)分析與設計方法81-101
• 3.1 基于諧振控制的定子電流諧波控制系統(tǒng)分析81-88
• 3.1.1 穩(wěn)態(tài)分析81-84
• 3.1.2 諧振控制器對穩(wěn)定性的影響84-87
• 3.1.3 諧振控制器對動態(tài)性能的影響87-88
• 3.2 諧振控制器的設計88-91
• 3.2.1 系統(tǒng)性設計步驟88-90
• 3.2.2 基于預修正雙線性變換的數(shù)字實現(xiàn)90-91
• 3.3 相位裕量提升方案91-100
• 3.3.1 超前角度補償方法92-94
• 3.3.2 超前滯后補償方法94-97
• 3.3.3 仿真結果97-100
• 3.4 本章小結100-101
• 第4章 電網不平衡時定子電流平衡與直流電壓波動抑制的控制技術101-150
• 4.1 電網不平衡對雙饋風電機組的影響101-108
• 4.1.1 對雙饋發(fā)電機的影響101-105
• 4.1.2 對背靠背變流器的影響105-108
• 4.2 電網不平衡情況下雙饋風電機組控制性能評估108-117
• 4.2.1 轉子側控制系統(tǒng)對基波負序電壓的抑制能力108-110
• 4.2.2 電網不平衡情況下網側變流器的控制性能110-114
• 4.2.3 直流電容電流與直流電壓114-117
• 4.3 基于諧振控制的定子電流平衡直接控制策略117-123
• 4.3.1 控制策略與分析118-120
• 4.3.2 實驗與仿真120-123
• 4.4 基于諧振控制的直流母線電容電流二次諧波抑制策略123-135
• 4.4.1 直流電壓控制技術需求分析123-126
• 4.4.2 已有方法的不足126-127
• 4.4.3 基于變流器可靠性與模塊化要求的電容電流控制方案127-130
• 4.4.4 引入電容電流控制的系統(tǒng)評估130-135
• 4.5 電容電流控制所引入的三次諧波電流的消除方法135-140
• 4.5.1 三次諧波電流的分析135-136
• 4.5.2 基于dq旋轉變換的負序電壓指令提取方法136-138
• 4.5.3 基于負序諧振控制器的改進電容電流控制方案138-140
• 4.6 實驗分析140-149
• 4.6.1 背靠背變流器測試平臺140-141
• 4.6.2 背靠背變流器平臺測試結果141-145
• 4.6.3 雙饋風力發(fā)電平臺測試結果145-149
• 4.7 本章小結149-150
• 第5章 電網非理想條件下雙饋風電機組的軟件鎖相技術150-170
• 5.1 電網非理想情況下鎖相環(huán)的動態(tài)建模150-157
• 5.1.1 電壓非理想情況下的電壓矢量方程151-155
• 5.1.2 基于同步旋轉dq坐標系的鎖相環(huán)數(shù)學模型155-156
• 5.1.3 電壓非理想對dq鎖相方法的影響156-157
• 5.2 基于兩相靜止αβ坐標系延時算法的dq鎖相方法157-159
• 5.2.1 鎖相算法框圖157-158
• 5.2.2 電壓諧波畸變情況下的鎖相性能158-159
• 5.3 基于三相靜止abc坐標系延時算法的dq鎖相分析與設計159-166
• 5.3.1 三相電壓基波正序分量提取算法159-162
• 5.3.2 鎖相算法框圖162-163
• 5.3.3 鎖相環(huán)路的控制系統(tǒng)設計163-164
• 5.3.4 仿真結果164-166
• 5.4 實驗驗證166-168
• 5.5 本章小結168-170
• 第6章 總結與展望170-173
• 6.1 結論及貢獻170-171
• 6.2 下一步的研究工作171-173
• 參考文獻173-184
• 附錄A 雙饋風電機組參數(shù)184-185
• 附錄B PI控制器設計185-187
• 附錄C 超前滯后補償器設計187-188
• 附錄D 雙饋風電機組穩(wěn)態(tài)模型188-190
• 攻讀博士學位期間所取得的科研成果190-191
• 致謝191-192

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