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变速恒频双馈风力发电系统预测功率控制研究

孙士涛  
【摘要】:随着日益加剧的能源危机和环境问题,风力发电作为一种可再生能源发电技术得到广泛的研究。双馈感应发电机(DFIG)以其变频器容量小、性能可靠等优势,成为了变速恒频风力发电的主流机型,而直接功率控制技术(DPC)以其快速的动态性能和简单的控制结构成为DFIG变频器控制的研究热点。近年来,基于计算机离散控制的预测控制受到越来越多的关注,本文针对理想电网和不对称电网下的双馈风力发电系统,将预测控制和直接功率控制结合起来,提出了DFIG系统的预测功率控制,并进行了理论分析、仿真建模和实验研究。 本文对双馈风力发电系统的网侧变换器和转子侧变换器分别进行研究。首先,总结了几种现有的DFIG控制策略,并介绍了几种不平衡电网下DFIG系统现有的控制方法。其次,在理想电网电压条件下,建立了网侧变换器在静止坐标系下的数学模型、转子侧变换器在定子静止坐标系和转子静止坐标系下的数学模型,并推导出网侧变换器和转子侧变换器在各坐标系下的功率方程,为之后的功率预测控制研究提供了理论依据。随后,对网侧变换器和转子侧变换器的开关表直接功率控制(LUT-DPC)进行了简单介绍,针对LUT-DPC稳态功率波动大的问题,提出了一种变开关频率的基于有限集合的功率预测优化控制(FS-PPOC),具体阐述了FS-PPOC的控制原理,并进行了控制延时的补偿,优化了开关矢量的选择,仿真结果证明FS-PPOC在动态性能上媲美LUT-DPC,在稳态性能上能显著减小功率的波动和静差。针对LUT-DPC和FS-PPOC开关频率不恒定的问题,研究了两种定开关频率的直接功率控制策略,即基于无差拍原理的直接功率控制(DB-DPC)和基于三矢量的预测直接功率控制(PDPC).详细介绍了DB-DPC的基本原理和延时补偿策略,仿真结果证明DB-DPC和PDPC能够获得较小的功率波动和恒定的开关频率,延时补偿能够提高DB-DPC的稳态和动态性能。对于网侧变换器PDPC,重点研究了其矢量作用时间为负的问题,提出重新选择矢量和以逆变器侧电压矢量判断扇区两种方法进行了改进,保证了作用时间的最优和正值,消除了作用时间为负引起的功率波动。对于转子侧变换器PDPC,提出了单开关表的PDPC (ST-PDPC),省去了滞环,简化了开关表,同时针对DFIG发出有功的情况进行了作用时间的处理,优化了ST-PDPC的控制性能。仿真结果证明了改进PDPC的正确性和有效性。在不平衡电网电压下,本文针对FS-PPOC进行了改进,加入了功率指令补偿项,实现了不平衡电网下DFIG运行的三种控制目标,并通过实验加以验证。 最后,简单介绍了实验平台的硬件构成和控制策略的软件流程图,给出了LUT-DPC、有补偿和物补偿的FS-PPOC、有补偿和无补偿的DB-DPC、PDPC、不平衡电网下改进FS-PPOC以及PDPC作用时间处理的实验结果,进行了定量分析:实验结果证明了这几种控制策略的正确性和有效性。


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