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双馈风力发电系统控制策略研究

刘晋  
【摘要】:近年来,作为新能源发电技术之一的风力发电技术在世界各国得到了大力发展。风力发电系统根据发电机运行特点大体可以分为恒速恒频系统和变速恒频系统,其中变速恒频双馈发电机(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)且有变流器容量小、变速恒频发电、灵活的转子交流励磁和良好的功率调节能力等特性,是目前风电场采用的主要机型之一。 双馈风力发电系统通常采用双PWM背靠背变流器为转子绕组提供交流励磁,机侧变流器可以调节发电机发出的有功和无功功率;网侧变流器可以调节整个双馈风力发电系统的功率因数,理论上可以得到任意可调的功率因数。因此,双馈风力发电系统具有灵活的有功和无功功率调节能力,如果利用此能力参与电网频率和电压的调节将为电网提供新的调节手段,业界也在这个方面开展了大量的研究工作。 由于双馈风力发电系统的多变量、时变和强耦合性,使其运行控制较为复杂,而双馈风力发电系统优良的控制性能取决于双PWM变流器的控制,其控制策略是核心问题,其中双PWM变流器在功率极限下如何通过协调控制参与电网电压调节、如何通过变流器控制提高机组故障穿越能力以及双馈型风电场参与电网电压无功调节的控制策略等问题仍有待进一步深入研究。 本文以提高双馈风力发电系统参与电网调节的能力为目标,基于双馈风力发电系统数学模型和控制策略等研究成果,针对双PWM变流器协调控制、通过双PWM变流器控制实现故障穿越和双馈型风电场参与电网电压无功调节控制等问题展开研究工作。通过理论分析,提出了电网正常工况下双PWM变流器多目标协调控制策略、电网故障情况下DFIG故障穿越控制策略和双馈型风电场分层分段电压协调控制策略,在MATLAB/Simulink平台上搭建了仿真模型,仿真结果表明本文提出的双PWM变流器多目标协调控制策略,能够实现单机正常工况、单机故障工况和风电场中DFIG机群在功率极限情况下,参与电网电压无功调节,具有良好的动态响应特性和调节效果,提高了双馈风力发电系统参与电网电压无功调节的能力,其主要工作如下: 1.在详细分析双馈电机工作原理、数学模型和等效电路的基础上,对双馈电机的功率特性和功率极限进行了深入研究,为研究如何利用双PWM变流器进行双馈电机的矢量控制提供了坚实的理论基础。 2.针对决定双馈风力发电系统运行性能的关键环节—双PWM变流器进行了深入的理论分析,分析并推导了电压源型双PWM变流器在三相静止和两相同步旋转坐标系下的数学模型,对其稳态特性以及双闭环控制策略进行了研究,基于内模控制提出了双PWM变流器多目标协调控制策略。该策略在双闭环控制的基础上,根据恒电压、恒功率因数和系统损耗最小等不同控制目标对双变流器进行协调控制,通过合理配置机侧和网侧变流器控制指令,能够满足多控制目标需要,提升了双PWM变流器的控制性能,有利于充分利用双变流器的容量参与电网电压无功调节,提高了双馈风力发电系统的效率和参与系统调节的能力,具有一定的理论价值和实际意义。 3.针对电网故障下DFIG故障穿越控制策略进行了深入的理论分析,研究了电网对称和不对称故障情况下双馈电机的运行特性。基于传统电流内环控制,提出了一种对称结构双电流环故障穿越控制策略。该策略在原有电压电流环的基础上,通过引入对称结构的正序和负序双电流控制环,可以有效抑制电网不对称故障情况下功率的2倍频波动,提高了DFIG故障穿越能力,保证了系统运行的安全性,具有一定的理论意义和实用价值。 4.目前双馈型风电场风电机组普遍采用恒功率因数控制方式,没有充分利用该机型的无功调节能力参与风电场电压无功控制。针对这一问题,提出了一种分层分段的风电场电压无功协调控制策略。该策略根据系统层次将无功功率容量分配分为电网分配层、风电场分配层和风电机群分配层等三层;同时根据风电场内无功补偿设备的响应速度和容量极限,在风电场内对无功功率控制进行分段控制,分为风电机群控制段、动态无功补偿装置控制段和固定电容器等补偿设备控制段等三段进行无功补偿控制。以充分发挥双馈机组的功率调节极限为优化控制目标,通过对各分配层和各段设备进行无功优化分配与控制,实现双馈风力发电机组在功率极限下,充分参与风电场的无功功率调节,提高了双馈型风电场动态无功功率调节特性,为风电场参与电网电压和无功功率调节提供了新的手段,具有一定的理论和实际意义。 5.基于MATLAB/Simulink平台搭建了双馈风力发电系统和双馈型风电场仿真模型,通过仿真验证了本文所提控制策略的可行性和有效性;在双馈风力发电系统物理实验平台上进行双馈风力发电机组功率特性实验。


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