双馈风力发电系统友好并网运行控制策略研究

【摘要】：随着包括风力发电在内的可再生能源发电系统越来越多地接入电网,可再生能源发电系统对于电网的影响已引起了广泛关注。双馈风力发电机(DFIG)以其自身设备成本低、对变流器容量要求小等优点,已成为目前风力发电中的主流机型。由于DFIG的定子侧与交流电网直接相连,使得这类风机对电网故障十分敏感。电网电压不平衡作为一种最常见的电网故障,会导致DFIG产生大量电流谐波,以及功率和电磁转矩脉动,既影响双馈风电系统的输出电能质量,也会对电机本身的结构造成损伤。目前,不平衡电网下双馈风力发电机的改进控制策略大部分都是基于采用线性控制器的矢量控制策略或直接功率控制策略,而针对非线性控制策略在不平衡电网下的运行状态及改进控制策略的研究还十分有限。另外,由于风力发电具有随机性和间歇性的特点,而目前的双馈风力发电系统基本没有能量存储模块,因而无法实现类似传统同步发电机接入电网时对电网的稳定支撑作用。大规模风力发电接入电网会导致整个系统的惯性、频率响应特性及电压响应特性降低,电网波动性和不确定性增强,最终导致电网运行的安全风险显著增大。针对以上问题,本文对双馈风力发电系统友好并网运行控制策略展开研究,其“友好并网运行”主要体现在两个方面:一方面是在不平衡电网下仍能保证双馈风力发电系统输出的电能质量,另一方面是在电网发生频率和电压波动时,双馈风力发电系统能够对电网进行有效的频率、电压支撑。从这两个角度出发,本文分别研究了DFIG机侧变流器的低复杂度模型预测控制策略、滑模变结构控制策略,以及网侧变流器的虚拟同步机控制策略在平衡及不平衡电网下的运行特性,并提出了相对应的改进控制策略。通过本文的研究,获得以下创新成果:1、本文提出了适用于平衡及不平衡电网下的DFIG低复杂度模型预测控制策略。该策略通过区间判断替代了传统模型预测控制策略中目标函数的多次计算,有效地减小了控制系统的运算量;在此基础上,研究了基于双矢量和三矢量的低复杂度模型预测控制策略,通过改进调制方法,有效抑制了功率的脉动与稳态误差,解决了单矢量控制策略精度较低的问题。进一步,针对不平衡电网对于DFIG机组的影响,本文提出了一种统一多目标功率补偿策略,将其与低复杂度模型预测控制策略相结合,形成了不平衡电网下多目标低复杂度模型预测控制策略,该控制策略能够实现多种控制目标,且能够在不同目标之间实现平滑切换。2、本文提出了适用于平衡及不平衡电网下的DFIG基于谐振控制器的改进滑模变结构控制策略,和基于拓展功率理论的改进滑模变结构控制策略。首先,本文对不平衡电网电压对于DFIG滑模变结构控制策略的影响进行了深入分析,以此为基础,提出了一种基于谐振控制器的改进滑模变结构控制策略,通过选择不同的变量作为谐振控制器的输入,能够实现不同的控制目标,无需对定子电压与电流进行正负序分离。此外,针对不平衡电网下利用传统功率理论设计的改进控制策略较为复杂的问题,本文提出了一种拓展功率理论,通过将其与传统功率相结合,选择不同的组合作为控制变量,可实现不同的控制目标;进一步,将这种拓展功率理论与滑模变结构控制策略相结合,在无需正负序分离模块及锁相环的前提下,实现了不平衡电网下的改进控制策略。3、本文提出了适用于平衡及不平衡电网下的网侧变流器自同步虚拟同步机控制策略。首先,对平衡电网下的自同步虚拟同步机控制策略进行了介绍,并对不平衡电网电压对于虚拟同步机控制策略的影响进行了深入分析。在此基础上,提出了一种不平衡电网下改进自同步虚拟同步机控制策略,通过在传统控制结构上加入一个谐振补偿环节,可以实现虚拟同步机在不平衡电网下的精确自同步并网,并在稳态运行过程中,充分抑制并网电流中的负序分量。进一步,针对PCC点功率存在二倍频脉动的问题,提出了一种基于拓展功率理论的多目标虚拟同步机控制策略,通过选择不同的功率组合作为控制变量,能够实现包括抑制PCC点功率脉动在内的多种控制目标,实现了良好的控制性能。