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采用串联网侧变换器的双馈异步风力发电系统运行和控制策略研究

作　者: 李辉
导　师: 廖勇
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 风力发电双馈异步发电机串联网侧变换器电网电压不平衡低电压穿越
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

双馈异步发电机(DFIG)以其优越的运行性能,在大型变速恒频风力发电系统中得到了广泛应用。然而双馈异步风力发电机组定子侧与电网直接相连的结构决定了其对电网扰动尤其是电网故障异常敏感,使得其在应对不平衡电网条件下的运行及实现低电压穿越方面存在较大缺陷。如何进一步提高DFIG系统在电网电压不平衡及电网故障情况下的安全运行能力已成为当前研究的热点问题。目前,已有学者着手新的拓扑结构的研究,以期改善双馈异步风力发电机组在电网不平衡及电网故障条件下的运行性能。受动态电压恢复器的启发而提出的采用串联网侧变换器的新型双馈异步风力发电系统能够实现零电压穿越,具有优良的低电压穿越(LVRT)能力,是一种先进的LVRT技术。但此类研究还处于起步阶段,国内外研究均较少。本文针对采用串联网侧变换器的新型DFIG系统,结合国内外研究的热点问题,对其在电网电压不平衡及电网故障等异常工况下的运行与控制展开了深入研究,论文的主要研究工作包括:1)利用空间矢量法建立了采用串联网侧变换器的DFIG系统的统一数学模型,进而在此模型基础上提出了电网电压正常时适用于该系统的一种稳态控制策略并通过仿真验证了该策略的正确性和有效性。为进一步研究采用串联网侧变换器的DFIG系统在电网异常条件下的运行与控制奠定了基础。2)分析了电网电压不平衡对DFIG机组的影响及采用串联网侧变换器的DFIG系统在电网电压不平衡条件下的运行情况。在此基础上,从抑制电网电压不平衡对DFIG机组影响及有效增强整个DFIG系统运行性能的角度出发,研究和提出了采用串联网侧变换器的DFIG系统在小值不平衡电网电压条件下的3种增强运行能力控制方案。研究结果表明:与现有文献相比,本文所提方案在确保DFIG机组电磁转矩无2倍频脉动及实现电网电压不平衡条件下整个系统或输出有功功率无2倍频波动或输出无功功率无2倍频波动或整个系统无负序电流注入电网等3种不同运行功能的同时,保证了DFIG三相定、转子电流平衡,避免了定、转子绕组产生不均衡发热危及绕组绝缘,极大地改善了DFIG系统在不平衡电网电压条件下的整体运行性能及其所并电网的运行稳定性。3)在分析电网故障下DFIG的定、转子瞬变分量及采用串联网侧变换器的DFIG系统抑制转子过电流机理的基础上,从限制定子磁场暂态直流分量和负序工频分量及减小从风机吸收能量的角度出发,提出了一种适合于该系统的低电压穿越运行控制策略。研究结果表明本文所提低电压穿越控制策略成功实现了DFIG系统的零电压穿越,有利于提高大型并网双馈风力发电系统的电网故障适应能力,增强其低电压穿越运行性能及提高其所并电网的运行稳定性。4)从电路的角度,解释了电网故障下DFIG转子过电流的原因。针对active Crowbar结构,给出了其Crowbar电阻的确定原则,然后结合仿真,对比分析了几种常用的适用于DFIG系统的低电压穿越方案在电网发生严重对称及非对称短路故障时的技术性能,并进一步探讨了各种低电压穿越方案的经济性。上述工作为工程实现各种低电压穿越方案奠定了一定基础。5)以高性能数字信号处理器(DSP)-TMS320F2812和集成智能功率模块(IPM)为核心,建立了采用串联网侧变换器的DFIG实验系统。分别在电网电压正常及不平衡条件下,对并网运行的采用串联网侧变换器的DFIG系统进行了全面深入的实验研究,以实验结果进一步验证了前述相关分析和研究的正确性和有效性。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-28
  1.1 引言  10-13
    1.1.1 能源、环境危机与可再生能源  10
    1.1.2 国外风力发电发展概况  10-12
    1.1.3 国内风力发电发展概况  12-13
  1.2 双馈异步风力发电系统的运行原理及特点  13-15
  1.3 双馈异步风力发电系统控制策略的研究现状  15-26
    1.3.1 电网正常运行时双馈异步风力发电系统的现有控制策略  16-19
    1.3.2 电网电压不平衡条件下双馈异步风电机组的控制  19-20
    1.3.3 电网故障下双馈异步风电机组的故障穿越运行控制  20-26
  1.4 本文的主要研究内容  26-28
2 采用串联网侧变换器的 DFIG 系统模型及稳态控制策略  28-46
  2.1 引言  28-29
  2.2 采用串联网侧变换器的DFIG 系统空间矢量模型  29-35
    2.2.1 DFIG 本体空间矢量数学模型  29-31
    2.2.2 并联网侧变换器空间矢量数学模型  31
    2.2.3 串联网侧变换器及串联变压器空间矢量数学模型  31-32
    2.2.4 直流母线数学模型  32-33
    2.2.5 采用串联网侧变换器的DFIG 系统统一数学模型  33-35
  2.3 采用串联网侧变换器的DFIG 系统稳态控制策略  35-41
    2.3.1 电网电压正常时串联网侧变换器控制策略  35-37
    2.3.2 电网电压正常时转子侧变换器控制策略  37-39
    2.3.3 电网电压正常时并联网侧变换器控制策略  39-41
  2.4 电网电压正常时采用串联网侧变换器的DFIG 系统仿真研究  41-44
  2.5 小结  44-46
3 电网电压不平衡条件下采用串联网侧变换器的 DFIG 系统运行与控制  46-66
  3.1 引言  46-47
  3.2 电压、电流不平衡度定义  47
  3.3 电网电压不平衡对DFIG 机组的影响  47-51
  3.4 电网电压不平衡条件下采用串联网侧变换器的DFIG 系统运行情况分析  51-53
    3.4.1 串联网侧变换器运行分析  51-52
    3.4.2 转子侧变换器运行分析  52
    3.4.3 并联网侧变换器运行分析  52-53
  3.5 电网电压不平衡条件下采用串联网侧变换器的DFIG 系统控制策略研究  53-59
    3.5.1 系统控制目标及给定指令计算  53-56
    3.5.2 基于双电流PI 调节器的控制系统设计  56-58
    3.5.3 基于比例谐振调节器的控制系统设计  58-59
  3.6 仿真研究  59-64
  3.7 小结  64-66
4 采用串联网侧变换器的 DFIG 系统低电压穿越控制策略研究  66-82
  4.1 引言  66-67
  4.2 各国风电标准对低电压穿越的要求  67-69
  4.3 电网故障下DFIG 的定、转子瞬变分量分析  69-72
  4.4 采用串联网侧变换器的DFIG 系统抑制转子过电流机理分析  72-73
  4.5 采用串联网侧变换器的DFIG 系统低电压穿越控制策略  73-76
  4.6 仿真研究  76-81
  4.7 小结  81-82
5 双馈异步风电机组各种低电压穿越方案比较研究  82-100
  5.1 引言  82-83
  5.2 电网故障下DFIG 的电磁瞬态特性  83-86
  5.3 DFIG 风电系统各种LVRT 技术方案分析  86-96
    5.3.1 严重对称短路故障下DFIG 各种LVRT 方案对比研究  90-92
    5.3.2 严重非对称短路故障下DFIG 各种LVRT 方案对比研究  92-96
  5.4 各种LVRT 技术方案经济性分析  96-98
  5.5 小结  98-100
6 采用串联网侧变换器的 DFIG 系统实验研究  100-120
  6.1 引言  100
  6.2 实验样机系统的构成  100-102
  6.3 采用串联网侧变换器的DFIG 系统硬、软件设计  102-107
    6.3.1 硬件结构及设计  102-105
    6.3.2 软件系统架构及设计  105-107
  6.4 实验研究  107-118
    6.4.1 并网稳态运行实验  107-111
    6.4.2 电网电压不平衡条件下采用串联网侧变换器的 DFIG 系统运行实验  111-118
  6.5 小结  118-120
7 结论  120-124
致谢  124-126
参考文献  126-138
附录 I  138-140
附录 II  140-142
附录 III  142-143

采用串联网侧变换器的双馈异步风力发电系统运行和控制策略研究

内容摘要

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