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变速恒频双馈风电机组并网控制策略研究

张学广  
【摘要】: 随着风力发电规模的迅速发展,风电在电网中的比例越来越大,大型风力发电机组的并网运行控制问题目前得到了广泛的关注。双馈风力发电机组是目前最广泛采用的风电机组类型,由于其自身结构的特点,其大规模的应用会给机组自身控制和电网安全稳定运行带来一系列的问题。为满足未来电网并网规约对风电机组运行的要求,本论文对双馈风电机组的并网运行控制策略进行了研究。研究内容主要包括: 建立了双馈发电机在电网同步坐标系下的数学模型,给出了双馈发电机阶段并网控制方法。根据双馈风力发电机运行的特点,针对双馈发电机并网前空载励磁阶段和并网后发电运行阶段分别采用了不同的无速度传感器矢量控制方案。在发电机并网前,根据双馈发电机空载时定子侧电压估计发电机并网前转速及转子位置,在并网运行阶段,采用一种基于双馈电机磁链关系的模型参考自适应方法进行转速及转子位置的跟踪。仿真和实验结果表明了这种方法的有效性。 双馈发电机组电网故障情况下的低电压穿越控制问题是本文研究的重点。根据双馈风力发电机内部的电磁关系,分析了理想三相对称短路情况下双馈发电机运行状态对短路电流的影响。在此基础上本文提出了一种基于电网电压矢量定向的双馈发电机灭磁控制策略。研究表明这种方法可以在电网电压跌落程度较小的情况下有效地减小双馈风力发电机定子磁链中直流暂态分量的影响,提高双馈风电系统的稳定性。研究了电网对称故障情况下基于active crowbar的双馈发电机的控制策略。通过crowbar的合理设计和控制,可以实现电网严重对称故障情况下的低电压穿越运行。 在风电机组的控制中,电网同步信息的准确获取是对风电机组控制的关键。针对传统的三相电网相角检测方法在电网波动及故障情况下的不足,本文提出了一种新型的数字锁相环设计方法。所提出的锁相环在正序负序双同步坐标系下,采用移相控制器消除电网不平衡电压带来的影响。针对电网频率偏移造成的移相的偏差,采用变周期采样的方法使系统有效的跟踪电网频率的变化。在电网不对称故障情况下,针对双馈发电机采用了正序和负序双同步坐标系下的矢量控制策略,分析了不同控制目标下所需的转子负序电流给定值。 针对网侧变换器的控制,本文在传统的PWM整流器矢量控制方法的基础上,改进了正序负序双同步坐标系下的矢量控制方法,这种方法既可以根据不同控制目标对正序负序电流进行单独控制,也可以有效避免采用双同步坐标系可能带来的谐波问题。针对目前广泛采用的LCL滤波器,提出了一种不需添加额外传感器的有源阻尼控制方法,实验结果验证了这种方法的有效性。 结合双馈风电机组的运行特点,提出了一种改进的配电网双馈风电场的电压控制策略。其中既包括传统的通过无功功率控制电网电压的方法也包括电网负序电压的补偿控制策略。给出了双馈风电机组不同运行状态下的无功功率的计算方法,阐述了双馈风电机组的无功功率控制方法及通过风电场无功功率控制电网电压的方法。针对电网电压不平衡的情况,给出了通过双馈风电机组抑制电网负序电压影响的控制方法,分析了双馈机组的控制电网负序电压的限制条件和控制策略。研究结果表明这种电压控制方法在风电场配电网连接条件下可以有效地提高风电场及机组运行的稳定性。 研制了一套双馈风电机组实验室模拟平台。模拟平台上目前能够实现双馈发电机的无冲击并网运行控制,亚同步到超同步区间的变速恒频运行,发电机的有功无功功率解耦控制以及功率变换器的能量双向流动控制等功能。在实验室模拟平台基础上,以一个实际工程项目为背景研制了一套1.5MW双馈发电机组的功率变换器控制系统,并在试验站完成了部分地面测试。


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