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具有惯性特征的双馈风力发电机非理想电网条件下控制策略研究

蒋天龙  
【摘要】:由于传统化石能源的不断消耗及其燃烧对环境造成的污染,风能作为绿色可再生能源受到人们的广泛关注。双馈风力发电机(DFIG)系统以其变换器容量小、安全可靠、高效实用等优点受到越来越多的重视,成为风力发电领域的研究热点。为了优化DFIG的频率响应特性,虚拟同步控制(VSG)技术被应用在DFIG的控制当中,其通过模拟同步发电机的转子运动摇摆方程从而利用DFIG的转子旋转动能为电网提供频率支撑,使双馈风力发电系统具有一定的惯性特征。由于需要应用虚拟同步控制技术的风电机组大多处于偏远弱电网地区,在这种条件下,不仅电网的频率会因负荷的突增或突减而发生波动,电网电压骤跌或不平衡等偏离理想工况的现象也经常发生。原有虚拟同步控制由于其控制带宽不足、动态响应速度缓慢等特征,无法适应电网电压的变化,从而会导致DFIG输出的电能质量下降、运行性能恶化,甚至会威胁DFIG控制系统的运行安全。本文针对电网电压骤跌以及电网电压不平衡两种非理想电网工况,在原有虚拟同步控制的基础上分别提出了以下优化措施:i)针对三相电网电压对称骤跌条件下原有虚拟同步控制系统中DFIG转子冲击电流较大以及电磁转矩振荡时间较长的问题,本文提出通过添加正序补偿电压以及暂态电压控制指令以限制转子冲击电流的幅值,通过添加快速灭磁控制外环以加快定子暂态磁链的衰减速度进而减少电磁转矩的振荡时间,同时通过引入转子电流检测环节,实现了转子电流限幅与定子暂态磁链快速灭磁相协调的优化控制策略;针对三相电网电压不对称骤跌条件下原有虚拟同步控制系统中DFIG转子冲击电流较大的问题,本文提出通过添加转子暂态电流抑制外环、转子负序电流抑制外环以及添加统一补偿电压的方式以达到对转子冲击电流的充分抑制,保证了控制系统的安全。ii)针对三相电网电压不平衡条件下原有虚拟同步控制系统中DFIG定、转子电流畸变,有功/无功功率脉动以及电磁转矩振荡等问题,本文充分利用正向同步旋转坐标系下二阶广义积分器(谐振器)对DFIG机组各电量负序分量或二倍频波动分量的选频控制作用,提出了六种优化控制策略,即基于直接谐振控制外环的优化策略、基于定子电流谐振控制外环的优化策略、基于转子电流谐振控制外环的优化策略、基于转矩-无功谐振控制外环的优化策略、基于有功-无功谐振控制外环的优化策略以及基于拓展功率谐振控制外环的优化策略。通过以上六种优化策略,使DFIG虚拟同步控制系统在电网电压不平衡条件下可以根据电网的实时要求灵活的选择控制目标,进而改善系统输出的电能质量与运行性能。通过本文的研究,使基于虚拟同步控制的双馈风力发电系统不仅对于电网频率的变化具有一定的调节能力,而且对于电网电压的变化具有一定的适应能力。


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