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变速恒频双馈风力发电系统改进直接功率控制策略

贺子倩  
【摘要】:随着能源危机和环境问题的加剧,以风为代表的可再生能源已成为社会关注的重点对象。双馈感应发电机(DFIG)因其变频器容量小、安全可靠的优势,已成为变速恒频风力发电技术中的主流机型。长期以来矢量控制(VC)一直是商业化双馈风力发电系统的主要控制策略,但近年来直接功率控制策略(DPC)因其良好的动态性能,控制结构简单,并能在电网电压不平衡的条件下都能保持有功功率和无功功率恒定的优点受到越来越多的关注。因此,本文对双馈风力发电系统中背靠背式双PWM变换器的基础理论及控制策略进行了理论分析、模型仿真以及运行实验的深入研究。 本文将双馈风力发电系统划分为网侧变换器和转子侧变换器单独进行研究。首先,在理想电网电压条件下对网侧变换器和转子侧变换器的矢量控制做了简单的理论分析和具体实现方法研究。并简单介绍了电网电压不平衡故障的类型及在电网电压不平衡条件下系统采用直接功率控制策略时的表现。其次,在理想电网电压条件下,分别建立了网侧变换器和转子侧变换器在两相静止αβ坐标下的数学建模。并在此数学模型的基础上,给出了网侧变换器基于电网虚拟磁链定向的基于查询开关表的直接功率控制策略(LUT-DPC)的理论分析、开关表的确定以及具体实现方法,同时给出了转子侧变换器的基于定子磁链定向的LUT-DPC。通过对仿真研究结果的分析可得到LUT-DPC开关频率不恒定,电流谐波不集中,电流谐波含量较高,有功、无功功率的脉动较大等结论。 针对LUT-DPC的缺点。随后分别对网侧变换器和转子侧变换器提出了改进的直接功率控制策略。首先,在理想电网条件下,针对网侧变换器本文提出了基于离散空间矢量调制的直接功率控制策略(DSVM-DPC)和基于有效开关时段的直接功率控制策略(ET-DPC)。文中对DSVM-DPC进行了详细的理论分析并讨论了具体实现方法,重点对离散空间矢量调制原理及DSVM-DPC的矢量选择策略进行了深入研究;文中也介绍了基于有效开关时段的PWM调制方式,分析了ET-DPC的理论,证明了其控制系统的稳定性,并给出了具体的实现方法,仿真研究结果证明了在网侧变换器中应用DSVM-DPC和ET-DPC的正确性和有效性。其次,在理想电网条件下,针对转子侧变换器提出了预测直接功率控制(P-DPC)和基于有效开关时段的直接功率控制(ET-DPC),重点对P-DPC的原理及作用时间处理方法进行了深入研究,也对转子侧变换器ET-DPC进行了理论分析,证明了控制系统的稳定性以及抗扰动能力,仿真研究结果也证明了转子侧变换器P-DPC和ET-DPC方法的正确性和有效性。研究结果表明了本文中提出的改进直接功率控制策略良好的稳态性能和优秀的动态性能。 虽然直接功率控制策略在电网电压不平衡条件下依然能够保持有功、无功功率恒定,但此时的电流畸变严重,富含谐波,这在某些场合具有应用前景,但是在发电领域中严重的电流谐波会污染电网,这也是电网规程所不能允许的,因此,本文针对网侧变换器研究了电网电压不平衡条件下的改进直接功率控制策略。本文建立了电网电压不平衡条件下网侧变换器在两相静止αβ坐标下的数学模型,之后分别针对网侧变换器提出了三个控制目标,即获得正弦、对称的电网电流,获得恒定的无功功率和获得恒定的有功功率。然后,经过分析得到为完成上述三个控制目标所需的功率补偿指令,得到了基于给定功率指令补偿的改进直接功率控制策略;仿真研究证明了该改进直接功率控制策略的正确性和有效性。 最后,本文介绍了一台3kVA的硬件实验平台的设计,并给出了网侧变换器各控制算法的软件设计,通过实验研究验证了本文提出的网侧变换器控制策略的正确性和有效性,为本论文所研究的直接功率控制策略在双馈风力发电系统的工程应用奠定理论基础。


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