双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究论文(PDF 82页).pdf

学校代号 1 0 5 3 2 学号 S 0 8 0 9 2 11 2 密级 普通 湖南大学硕士学位论文 双馈风力发电机低电压穿越控制策略 研究 R e s e a r c ho nL o w V o l t a g eR i d e T h r o u g hC o n t r o lS t r a t e g i e so f D o u b l y f e dI n d u c t i o nW i n dP o w e rG e n e r a t o r b y Y ES h e n g B E H u n a nU n i v e r s i t y 2 0 0 8 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g l n E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g i nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f H u n a nU n i v e r s i t y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rH U A N GS h o u d a o A p r i l 2 0 11 胁3 伽9 3m 6 0川9 帅Y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 叮盟 日期 渺f 年纱月陟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不保密回 请在以上相应方框内打 作者签名 吖盟 翩鹕 名框 哆刀a 日期 沙f 年钼 日 日期 加 降垆月加 硕士学位论文 摘要 近年来 人们对可再生新能源的利用研究和发展越来越关注 这些可再生的 新能源之中 风力发电发展迅猛 随着风力发电在电力系统中所占比例的不断增 加 提高风力机组接入电网后在故障下的不间断运行能力变得非常重要 变速发 电系统相对于恒速发电系统展现出更高的能量捕获能力和转换效率 双馈感应发 电机 D F I G 能实现超同步速和亚同步速发电和电动模式的运行 非常适合风力发 电等变速发电系统 本文首先研究了风力机的基本特性 介绍了当前风力发电技术的研究现状 通过风力机模型分析了变速恒频双馈风力发电机组运行原理 建立双馈感应发电 机 D F I G 的数学模型 推导D F I G 基于定子磁场定向的功率控制策略 研究了 P W M 型变流器的基本结构 通过变流器能量的传输进行分析对背靠背双P W M 中 间直流环节的数学模型进行了描述 并推导了网侧变流器的控制策略 搭建了以 D S P 芯片构造的双馈风力发电机实验系统 深入分析了电网电压跌落下双馈发电机的电磁暂态特性 在此基础上提出了 一种改进的双馈发电机矢量控制策略 在转子电流控制器中加入了表示定子磁链 动态变化的前馈补偿项 用来抑制电网电压跌落不严重时转子中的过电流 仿真 结果表明改进的矢量控制策略的有效性 在电网对称情况下 传统的脉宽调S J p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n P W M 整流器 控制方式拥有良好的动态和稳态性能 但在不对称电网下存在显著的谐波功率 严重影响P W M 整流器输出电压及输入电流品质 通过将不对称电压与电流进行 对称分量法分解 提出了在正负序同步坐标变换下 电网正负序电压分别定向的 矢量控制策略 来消除功率传输中的波动分量 以实现在电网发生不对称故障时 稳定直流母线电压 以此控制策略为基础令负序输入电流为零得到另一控制策略 以实现在电网发生不对称故障时使输入电流正弦 仿真及实验结果验证了2 种控 制策略的有效性 关键词 双馈风力发电系统 低电压穿越 矢量控制策略 不对称电压 双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究 A b s t r a c t R e c e n ty e a r s i n t e r e s th a sr i s e ni nt h es e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fu s i n gr e n e w a b l e a l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s A m o n gt h er e n e w a b l ea l t e r n a t i v e s w i n dp o w e rh a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y A st h ep e n e t r a t i o n o fw i n dp o w e ri ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m c o n t i n u e st oi n c r e a s e i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ef a u l tr i d e t h r o u g h c a p a b i l i t yo fg r i d c o n n e c t e dw i n dt u r b i n e s V a r i a b l es p e e dg e n e r a t i o ns y s t e m ss h o w h i g h e re n e r g yc a p t u r i n ga n db e t t e rc o n v e r t i n ge f f i c i e n c yt h a nt h ef i x e ds p e e ds y s t e m s T h ed o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r D F I G p r o v i d e sf l e x i b i l i t yo fo p e r a t i o ni n s u b s y n c h r o n o u sa n ds u p e r s y n c h r o n o u ss p e e d sb o t hi nt h eg e n e r a t i n ga n dm o t o r i n g m o d e s t h u sm a k i n gD F I Gs u i t a b l ef o rv a r i a b l es p e e dg e n e r a t i n gs y s t e ms u c ha sw i n d p o w e r A tf i r s t t h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e s t i c so fw i n dt u r b i n e a r ed i s c u s s e di nt h i s t h e s i s t h e ni n t r o d u c e dt h ec u r r e n tt e c h n o l o g i e so fw i n dp o w e ra r o u n dt h ew o r l d T h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ev a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y V S C F w i n de n e r g y g e n e r a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e da c c o r d i n gt o t h em o d e lo ft h ew i n dt u r b i n e T h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eD F I Gi se s t a b l i s h e d as t a t o r n u x o r i e n t e dc o n t r o ls c h e m e f o rp o w e rc o n t r o li sd e r i v e d T h es t r u c t u r eo ft h ep l u s e w i d t h m o d u l a t i o n P W M c o n v e r t e ri sg i v e n a n dt h ep a r to ft h eD Co fD u a l P W Mi sd e s c r i b e dt h r o u g h a n a l y z i n gt h ep o w e rt r a n s f o r m a t i o nt h e o r y T h ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t h eg r i d s i d e c o n v e r t e ri sa l s oi n t r o d u c e d AD F I Ge x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do nD S Pw a s e s t a b lis h e d T h ed y n a m i ce l e c t r o m a g n e t i cb e h a v i o ro ft h eD F I Gi nt h ec a s eo fg r i dv o l t a g ed i p s i sa n a l y z e d A n da l li m p r o v e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eD F I Gi sp r o p o s e dt o r e d u c et h er o t o ro v e r c u r r e n td u r i n gn o n s e r i o u sv o l t a g ed i p s w h i c hc o n s i d e r st h e d y n a m i c so ft h es t a t o rf l u xd e d u c e db yt h ev o l t a g ed i p w h e nd e s i g n i n gt h er o t o r c u r r e n tc o n t r o l l e r R e s u l t sf r o ms i m u l a t i o np r o v et h a tt h ei m p r o v e dv e c t o rc o n t r o l s t r a t e g yi se f f e c t i v e T r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n P W M r e c t i f i e rp o s s e s s e s g o o dd y n a m i ca n ds t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e sw h i l ev o l t a g e so fp o w e rn e t w o r ka r e s y m m e t r i c a l h o w e v e rd u et oe v i d e n th a r m o n i cp o w e ri na s y m m e t r i c a lp o w e rn e t w o r k t h eq u a l i t yo fo u t p u tv o l t a g ea n di n p u tc u r r e n to fP W M r e c t i f i e ra r es e r i o u s l ya f f e c t e d A f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fa s y m m e t r i c a lp o w e rn e t w o r kb ys y m m e t r i c a l I I I 硕士学位论文 c o m p o n e n tm e t h o d t w ov e c t o r o r i e n t e dc o n t r o l s t r a t e g i e s w h i c hr e s p c t i v e l y o r i e n t a t e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e s e q u e n c ev o l t a g e s u n d e r p o s i t i v e a n d n e g a t i v e s e q u e n c es y n c h r o n o u sc o o r d i n a t et r a n s f o r m s f o rP W Mr e c t i f i e ra r e p r o p o s e dt oe l i m i n a t et h ef l u c t u a t i n gc o m p o n e n ti np o w e rt r a n s m i s s i o n t h u st h eD C b u sv o l t a g ec a nb es t a b i l i z e dw h i l eu n s y m m e t r i c a lf a u l to c c u r si np o w e rn e t w o r k B a s e do nt h i sc o n t r o ls t r a t e g ya n dl e tn e g a t i v e s e q u e n c ei n p u tc u r r e n te q u a l st oz e r o a n o t h e rc o n t r o ls t r a t e g yc a nb eo b t a i n e dt om a k et h ei n p u tc u r r e n ts i n u s o i d a lw h i l e a s y m m e t r i c a l f a u l t h a p p e n s i n p o w e rn e t w o r k R e s u l t sf r o ms i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dt w oc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ee f f e c t i v e K e yW o r d s d o u b l y f e di n d u c t i o nw i n dg e n e r a t o rs y s t e m l o wv o l t a g er i d e t h r o u g h v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g i e s a s y m m e t r i c a lv o l t a g e s I V 双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 I 摘 要 I I A b s t r a c t I I I 第l 章绪论 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 风力发电机组概述及风电系统分类 2 1 2 1 风力发电机组概述 2 1 2 2 风力发电系统分类 3 1 3 低电压穿越技术国内外发展现状与趋势 6 1 4 本论文的主要研究内容 7 第2 章双馈感应风力系统的模型及控制方法 一9 2 1 变速恒频风力发电机组的运行特性 9 2 1 1 风力机组的运行特性分析 9 2 1 2 双馈风力发电机的运行原理 1 2 2 2 双馈发电机的数学模型 1 3 2 2 1 三相静止坐标系下的D F I G 数学模型 1 3 2 2 2 由旋转坐标系下的D F I G 数学模型 1 6 2 2 3 双P W M 变流器数学模型 1 7 2 2 4 背靠背变流器直流环节数学模型 2 0 2 3 双馈风力发电系统的控制系统 2 1 2 3 1 定子磁场定向矢量控制 2 1 2 3 2 网侧P W M 变流器矢量控制策略 2 5 2 3 3 实验验证 2 8 2 4 本章小结 31 第3 章对称电网故障下双馈风力发电系统低电压穿越控制策略研究 3 3 3 1 电网电压跌落特性分析 3 4 3 2 电网电压跌落时双馈风力发电系统的动态性能 3 7 3 3 双馈风力发电机的改进矢量控制策略 3 9 3 4 仿真分析 4 1 3 5 本章小结 一4 4 第4 章不对称电网故障下双馈风力发电系统网侧P W M 整流器控制策略研究 4 5 4 1 电网不平衡理论分析 一4 5 4 2 不对称电压下P W M 整流器的控制策略 4 7 V 硕士学位论文 4 2 1P W M 整流器的基本结构和传统的P W M 整流器双闭环控制策略 4 8 4 2 2 不对称电压下的控制策略 4 8 4 3 仿真分析 5l 4 4 实验验证 5 2 4 5 本章小结 5 5 结论与展望 5 6 参考文献 5 8 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 6 1 附录B 攻读学位期间参加的实验项目 6 2 致 射 6 3 v I 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 能源和环境问题是当今人类生存和可持续发展所要解决的紧迫问题 以天然 气 石油 煤等为主的传统能源 他们属于不可再生能源 不但造成严重的环境 和全球气候变暖等问题 而且储量越来越少 面临资源枯竭的压力 能源危机日 益严重 随着 京都议定书 的签订和顺利召开哥本哈根世界气候大会 人们逐 渐意识到要合理利用资源 开发可再生新能源的重要性 尽快探索出一条清洁能 源的供给之路成为当下瞩目的研究课题 可再生新能源技术得以快速发展 风能的利用在其中占据很重要的比重 风 能是一种清洁能源 具有不用燃料 取之不尽 无污染等优点的 是一种理想的 新能源 风力发电是风能的主要开发利用方式 风能的开发利用受到越来越多的 瞩目 已经成为世界上公认的可再生能源中技术最成熟 最具开发条件和商业化 发展前景的发电方式 目前其发电成本己接近常规发电方式 风力发电已经成为 全球最具规模开发条件和商业发展前景的发电方式 全球的风电装机容量以年平 均2 0 3 0 左右的速度增长 预计到2 0 2 0 年 风力发电占全球总发电量的1 2 成为全球最主要的能源形式之一I lJ 嬲 国 国一圜一丽一日童卜网 藤震 隧 攀 图1 12 0 0 0 2 0 i 0 全球风电总装机容量 上图为2 0 0 0 年到2 0 1 0 年全球风力发电装机总容量 到2 0 1 0 年 总容量超过 了1 9 2 6 8 0 M W 其中中国增长了1 8 9 2 8 M W 成为2 0 1 0 年新增装机容量最多的国 家 同时中国的累计装机容量超过美国 达到世界第一 我国风能的迅速发展有 其得天独厚的优势 中国陆地和海上可开发风能储量分别为2 5 3 亿千瓦和7 5 亿 千瓦 风能储量居世界之首 据统计 中国近年来在 可再生能源法 可再生 能源 十一五 规划 等一系列政策规划的指引和扶持下 风电装机容量成倍增长 推动了整个产业的发展 到2 0 1 0 年底 风电总装机容量为4 4 7 3 3 M W 比2 0 0 9 O O O O O O O O 0 O 0 O O O O 0 O O 5 0 5 2 1 l 双馈风力发电机f 氏电压穷越控制策略研究 年增长7 3 3 5 预计2 0 2 0 年我国风电装机容量达到1 亿千瓦 风电产业将保持 高速发展 厶4 1 随着风电技术的日渐成熟 大规模的风电接入电网可能会造成系统短路容量 增加 系统暂态稳定性改变 电网电压水平变动等一系列问题 因此 分析风电 的特点 研究如何提高其可靠性 减少对电网的影响 提高风电故障不间断运行 能力 已成为目前风电研究的重要课题 随着国内风电的快速发展 国内风电制造企业已能独立研发和生产塔筒 齿 轮箱 叶片 发电机等主要部件 但控制系统和变流器等电控设备还需借鉴国外 先进技术 大量大规模风场项目的陆续投入使用 风力发电占电力供应比例逐渐 增大 对风电的并网可靠性提出了更高的要求 双馈风力发电机组是目前市场占 有率和装机容量最大的机型 受电网故障的影响很大 因此研究电压跌落下双馈 风力发电系统的控制和保护策略有重大的理论意义 对提高国产风电机组的并网 运行可靠性具有实用价值 1 2 风力发电机组概述及风电系统分类 1 2 1 风力发电机组概述 风力发电机组可以根据叶轮旋转轴向的不同分为垂直轴和水平轴两种 因为 垂直轴风力机捕获风能的效率低 目前应用更为广泛的是水平轴风力机 根据叶 片数目的多少 可以分为单叶式 双叶式 三叶式及多叶式等机型 综合考虑转 速 视觉等多方面因素 采用三叶片结构被认为是工程上的最优方案 当前并网型风力发电机组的主要类型包括 定桨距定速风力发电机组 变桨 距定速风力发电机组和变桨距变速风力发电机组 目前变桨距变速风力发电机组 正逐步成为主流机型1 5 定桨距失速型机组是风电场最早使用的并网型风力发电机组 这种机型从2 0 世纪8 0 年代中期开始投入使用 主要解决了机组并网问题 同时提高了运行的可 靠性和安全性 在允许的风速范围内 其控制系统对于风速变化引起的能量变化 不做任何控制 而当风速高于设计的额定风速时 桨叶具有自动失速性能 定桨 距失速型风力发电机组性能可靠 控制简单 因而很快实现商业化 但其能量转 化率相当低 启动性能也不理想 由于变桨距定速机组在额定风速以下运行时效率不理想 因而在其基础上 研制了变桨距变速机组 其采用电力电子技术 通过对最佳叶尖速比跟踪来获得 最大输出功率 变速风力发电机组的主要特点是 低于额定风速时 能跟踪最佳 功率曲线 使风力发电机组具有更高的风能转换效率 高于额定风速时 能进行 变桨调节 增加了传动系统的柔性 使功率输出更加平稳 达到了高效高质量并 硕士学化论文 竺 竺 竺 网供电的目的 正因为如此 单机容量达到兆瓦级以上的机组一般都采用变桨距 变速型风力发电机组 1 2 2 风力发电系统分类 风力发电系统主要由风机 齿轮箱 可选 发电机和变流器等部分组成 其 中变流器发挥着十分重要的作用 使风力发电机和电网能实现柔性连接 根据变 流器作用的不同 可以把风力发电系统大致分为三类 无变流器系统 使用部分 功率变流器系统和使用全功率变流器系统 6 8 1 恒速鼠笼型异步风力发电系统 恒速恒频风力发电系统不要变流器 一般采用鼠笼型异步发电机 通过定桨 距失速调节或主动失速调节来维持发电机转速 直接与电网连接 发电机励磁由 电网中吸收的无功功率来提供 在发电机与电网之间并联电容器进行无功补偿以 提高网侧功率因数 其具有可靠性高 结构简单 成本低等优点 但由于发电机 转速只能维持在额定转速以上很小的范围内 所以该系统的风能利用率很低 电网 图1 2 恒速鼠笼型异步风力发电系统 2 变速恒频双馈感应风力发电机系统 双馈系统的变流器可以采用交直交变流器 交交变流器 矩阵式变流器 并 列变流器 谐振变流器等多种形式 9 1 0 其中应用最为广泛的是采用背靠背电压 型变流器的结构 由于双馈系统中变流器位于发电机的转子回路 只需要控制转 差功率 因此变流器的容量只占系统总容量的一部分 根据发电机的运行速度范 围 该变流器的功率一般为发电机额定功率的3 0 左右 因此体积和重量将大大 减小 成本降低 整个系统损耗小 效率高 但由于双馈电机转子有电刷和滑环 需要定期维护 降低了系统的可靠性 双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究 机侧变流器网侧变流嚣 图1 3 变速恒频双馈风力发电系统 3 无刷双馈风力发电系统 为了既能保持双馈风力发电系统容量小的优点 又能具有鼠笼型异步电机无 电刷和滑环的结构 可以采用如图1 4 所示的无刷双馈风力发电系统 无刷双馈 电机定子有两套极对数不同的绕组 其中功率绕组与电网相连 而控制绕组接在 变流器上 转子的极对数为定子两套绕组极对数之和 该系统兼具变流器容量小 系统效率高 成本低等优点 同时发电机结构简单 可靠性高 但由于目前大功 率无刷双馈发电机定子的设计比一般的笼形发电机复杂 所以大功率无刷双馈电 机的设计比较困难 还处于小功率试验样机的阶段 并未达到商业化运行标准 因此国内的无刷双馈发电机的设计还在理论研究阶段 图1 4 无刷双馈风力发电机系统 4 变速鼠笼型异步风力发电系统 利用全功率变流器构成变速鼠笼型异步风力发电系统 可以实现鼠笼型异步 发电机变速恒频运行 发电机通过变流器与电网相连接 则转子转速不受电网频 率限制 实现变速运行 不需并联电容器用作无功补偿 但由于连接了变流器 则增加了系统的成本 致使降低了整个系统的效率 硕十学位论文 图1 5 变速鼠笼型异步风力发电系统 5 直驱型永磁同步风力发电系统 上述使用异步发电机的系统 因为发电机额定转速较高 都需要在风轮与发 电机之间增加多级增速齿轮箱用以增速 齿轮箱的成本高 易损坏 需要日常维 护 降低了风电系统的可靠性和增加了维护及运行成本 永磁风力发电系统由于 不需要外部励磁 系统损耗更小 效率更高 其不足之处在于所使用的永磁材料 价格较高 并且容易出现失磁现象 同时需要全功率变换器 容量大 体积大 造价高 整个系统的成本增加 随着风力发电系统单机容量的增加 多级永磁发 电机的体积和重量也大幅增加 其制造工艺也更加复杂 不过随着控制技术和电 力电子元器件的不断发展 控制难度和制造成本不断下降 该风电机组的应用将 越来越广泛 是未来大型变速恒频风力发电系统发展的一个重要方向 因此基于 上述由于永磁发电机体积和重量增加这种思想出现了半直驱式风力发电系统 它 由单机增速齿轮箱和中速永磁同步发电机或中速双馈发电机构成 集合了直驱式 和双馈式风力发电系统的优点 与直驱式相比减少了发电机体积 降低了制造成 本 与双馈式相比减少了齿轮箱级数 降低了其运行维护成本 图1 6 永磁直驱型风力发电系统 各种主要风力发电系统的优缺点比较如下表所示 双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究 表1 1 不同风电系统的优缺点比较 1 3 低电压穿越技术国内外发展现状与趋势 近年来全球风电发展地十分迅速 N 2 0 2 0 年能满足1 0 的世界电力需要 从 前为了保护设备 当电网出现比较轻微的故障时 风电设备就从电网解列 由于 风力发电系统在电网中的影响的不断加大 风电技术领先的国家 如丹麦 德国 等国家相继制定了新的电网运行规范 要求在电网电压跌落时风力发电系统能和 传统同步发电机组一样 具有不问断运行的能力 包括风电场在公共耦合点的故 障穿越能力和风力发电机的低电压穿越能力 低电压穿越 L o wV o l t a g eR i d e T h r o u g h L V l H 是在电压跌落的时候 风 机能够维持一段时间与电网连接不解列 甚至向电网提供一定的无功功率帮助电 网恢复 故障排除后发电机能迅速恢复运行 对电网提供必要的有功和无功功率 补偿 提高电网的稳定性 L V R T 可以大大减少风电机组在故障时反复并网 减少 对电网的冲击 l o 如果控制得当 具备故障穿越功能的风电场还能提高电力系统 的暂态稳定性 在直驱风力发电系统中 同步电机通过全功率变流器接入电网 电网电压跌 落不会影响机侧变流器和发电机的正常运行 而只需在网侧变流器和直流侧采取 相应措施 所以直驱风电系统的故障穿越能力比较强 直驱系统的低电压穿越 其实就是网侧变流器的低电压穿越 难度并不是很高 而在双馈式风力发电系统 中 发电机与电网直接相连 变流器容量较小 只能对发电机提供部分控制 因 此在电网电压跌落时对该系统的影响很大 l2 1 电网发生故障时会导致发电机机端 硕士学位论文 竺 电压跌落 进而造成发电机定子电流增加 通过定子与转子之问的磁场耦合 快 速增加的定子电流会导致转子电流也也急剧上升 转子电流的增加会给直流母线 充电 使直流母线电压迅速上升 l3 J l 引 另外 机端电压跌落还将引起电磁转矩突 变 电机转子加速等一系列问题 由于电网电压的跌落定子磁链不会随电压突变 所以会产生直流分量 引起转子回路中的过电流和过电压 1 6 17 1 如果不采取任 何措施 紧靠定转子的漏抗并不足以抑制电压跌落产生的过电流 因此可能会导 致变流器和直流母线电容损坏 如果发生不对称故障由于在定子电压中有负序分 量 负序分量会产生较高的转差 过电流和过电压会更严重会分别损坏变流器和 发电机的转子绕组 l 引 目前为了实现双馈风力发电系统的低电压穿越 一般采取 两种途径 一种是在电网发生故障时接入硬件保护电路 释放系统内多余的能量 另一种通过改进控制策略 提高系统对各暂态变量的控制能力 1 4 本论文的主要研究内容 变速恒频双馈感应风力发电机系统的应用愈趋广泛 但其中关键技术的研究 还处于起步阶段 本文以双馈风力发电系统为研究对象 研究了该系统的模型和 控制算法 对电网电压跌落情况下此系统的控制策略进行了研究 主要内容如下 1 综合叙述了本文的选题背景和意义 根据变流器的不同介绍了几种风力 发电系统 选择变速恒频双馈感应风力发电机系统作为本文的研究重点 针对双 馈低电压穿越技术的必要性和国内外发展现状与趋势进行了简要的介绍 2 介绍了变速恒频风力发电机组的基本运行原理 建立风力机的数学模型 通过坐标变换理论 将双馈风力发电机在三相坐标系下的数学模型变换到旋转砌 坐标系下 给出基于双馈风力发电机定子磁链定向矢量控制策略 基于电网电压 定向的网侧P W M 变流器矢量控制策略 介绍了双风力发电机的双P W M 变流器 基本构成 推导P W M 变流器的数学模型 得到网侧P W M 变流器的矢量控制策 略 3 分析了电网电压跌落下双馈发电机的电磁暂态特性 传统矢量控制策略 在此过程中无法实现预想控制效果 提出一种改进的双馈发电机矢量控制策略 在转子电流控制器中加入定子磁链动态变化的前馈补偿项 用于抑制电压轻度跌 落造成的转子侧过电流 4 在电网平衡情况下 传统的脉宽调 l J p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n P W M 整流 器控制方式拥有良好的动态和稳态性能 但在不平衡电网下存在显著的谐波功率 严重影响P W M 整流器输出电压及输入电流品质 通过将不平衡电压与电流进行对 称分量法分解 提出了在正负序同步坐标变换下 电网正负序电压分别定向的矢 量控制策略 来消除功率传输中的波动分量 以实现在电网发生不平衡故障时稳 定直流母线电压 以此控制策略为基础令负序输入电流为零得到另一控制策略 双馈风力发电机f 叹电压穿越控制策略研究 以实现在电网发生不平衡故障时使输入电流正弦 仿真及实验结果验证了2 种控 制策略的有效性 硕士学化论文 双馈感应风力系统的模型及控制方法 力发电机组的运行特性 2 1 1 风力机组的运行特性分析 风力发电系统是将风能转换为电能的装置 是风能利用的主要形式 主要包 括将风能转换为机械能的机械部分和将机械能转换为电能的电气部分 是一种典 型的机电转换装置 风力机的功能是将风能转化为机械能 德国的贝兹 B e t z 第 一个建立了风力机气动理论 运用基于空气动力学中的桨叶基本理论精确地对风 力机进行建模 人们设计了一种简易的模型来描述风力机 它反映了风速与从风 中获得的能量的关系 其方程为l I 9 尸 三q 兄 办p 矗V 3 C O R L 一 2 1 其中 p 一为空气密度 妇加 S 一为风轮的扫掠而积 聊2 1 一为风速 觚 田一为叶轮旋转机械角速度p 口挑 R 一为风轮叶片半径 m C p 力 一为风力机 的风能利用系数 图2 1 风力发电系统的机械部分 风能利用系数q 描述了风力机吸收的机械能占总风能的比例 是叶尖速比兄 和桨叶节距角 的函数 q 见 的计算需要桨片基本原理 计算较复杂 实际运 用中可以用如下计算公式表示 q c A f 1 0 5 1 7 6 半 6 0 4 f l 5 芦 0 0 6 8 兄 2 2 110 0 3 5 一 一 五 五 O 0 8 p 1 根据上式画出q 随力和 的变化曲线如下图所示 当桨叶节距角 变化时 双馈风力发电机低电压穿越控制策略研究 随着夕的加大 风能利用系数 的曲线呈现总体下降趋势 当夕不变时 o 则 只与叶尖速比A 有关 o 与 的曲线先上升再下降 只有在叶尖速比为某一定值 时才达最大 在夕 0 0 时 曲线总体最高 此时的风力机的利用系数 可以达到最 大值 图2 2C 随兄和 的变化曲线 从上图可知当桨叶节距角 一定 O o 的情况下风能利用系数C 在叶尖速 比允为某值无 时才达到最大 因此可以得到C 与兄的关系曲线如图2 3 所示 风 能利用系数C 并不是一个常数 它会随着风力机的转速 叶片参数 如攻角 桨 距角等 以及风速等因素而变化 在一定的风速下 C 的值会随着风力机转速 的变化而有相应的变化 风力机输出的机械功率己因此而变化 现取几个不同的 风速V I V 2 v 3 v 4 砍 在图2 3 中查出叶片不同转速时所对应的风能利用系数 将风机的额定参数带入式 2 1 算出该风力机对应于不同风速下输出机械功率 然后做成如图2 4 所示的曲线 图中虚线为风力机的最大输出功率曲线 C p k p m a x m 2 3 C 与允的关系曲线 硕士学位论文 O 图2 4 风力机输出功率尸 与转速v 之间的关系 从上图可知 1 在一固定转速下 风速越大 风提高的输入功率越大则对应的风力机的 输出功率也越大 2 在同一风速下 风力机的输出功率随着转速的变化而变化 在某一转速 下则输出功率达到最大 3 随着风速的增大 风力机输出的最大功率所对应的转速也增大 风力机的风能利用系数C 只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值 而 由式 2 1 知 当风速变化时 如果风力发电机组仍保持某一转速缈 那么将偏离 最优的风能利用系数 使C 和风能利用效率降低 所以当风速变化时 风力机的 转速也应该变化 保持最优尖速比得到最大风能利用系数 从而得到最大的风能 利用效率 这就是变速风力发电系统的优势所在 对风力机系统的控制主要是根据风况输出相应的机械功率 同时使发电机转 速随着风速的变化而改变 但由于变速风力发电机组受到转速限制和功率限制 所以风机的转速和输出功率是有限的 输出功率不能随风速增大而无限的增大 为此可以按照风力机的容量和运行速度范围预先设计一条功率 速度特性曲线 下 图为风力发电机组的不同运行区域 在O A 阶段启动 当发电机转速噶偶切入转速 后 启动发电机开始运行 没有功率输出 在A B 阶段C 恒定 需要控制发电机 转速追踪风速变化 使叶尖速比始终处于最优值 从而保证系统吸收最大的风能 这是运行速度范围最广的区域 B C 段转速恒定 功率随风速的增大而增大 使输 出功率增加到接近额定值 C D 段功率恒定 系统输出达到额定值后 随着风速增 大 控制系统通过节距角调节风能系数 保持恒定功率输出 根据变速恒频风力 发电机组在不同区域的运行 可将总的控制策略确定为 低于额定风速时 实行 最大风能追踪控制或转速控制 获得最大能量输出或控制机组的转速 高于额定 风速时 实行功率控制 保持功率输出稳定 2 0 1 双馈风力发电机瓶I 毡压穿越挖制策略研究 P D 功率恒定区 转速恒定 占 C P 谯够影 启动区 夕 切入风速点 额定风速点 1 额定功率点 图2 5 风力发电机系统功率 速度特性曲线 2 1 2 双馈风力发电机的运行原理 在双馈风力发电系统中 风力机和双馈发电机由升速齿轮箱连接 发电机的 定子与电网直接连接 转子与电网中间连接一台背靠背电压型变流器 双馈风力 发电机是整个风能转换系统的核心 其结构和绕线式异步电机相似 这种电机的 定子与转子两侧都有能量的馈送 因为其在正常工作时 定子侧绕组接电网 转 子侧绕组经一个频率 幅值 相位都可以调节的三相变频电源提供励磁 所以又 称为双馈电机 D F I G 运行原理如下图所示 图2 6D F I G 运行原理框图 根据感应电机定 转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理 可以得出 风力发电机运行时电机转速与定 转子绕组电流频率关系的数学表达式 2 1 2 2 J 石 丽n p 厅 石 2 3 转速为碍 石为转子电流的频 石保持不变 与电网频率保持 一致 可对风力发电机实现变速恒频控制 当刀 时 风力发电机处于超同步速 运行状态 则上式取负号 当 时 风力发电机处于亚同步速运行状态 则上 式取正号 而当疗 啊时 则五 0 变流器向转子提供直流励磁 此时发电机作同 步电机运行 通过磁场角度进行分析 双馈发电机定子接入电网 三相低频励磁电流供给 转子后 形成一个低速旋转磁场 这个低速磁场旋转速度C O 和转子的机械转速国 相加等于定子磁场的同步转速0 3 m 即 O J C O 上式标明当发电机转速变化时 控制变流器调节转子电流频率和旋转磁场的转速 补偿电机转速的变化 达到变 速恒频的目的 2 2 双馈发电机的数学模型 2 2 1 三相静止坐标系下的D F I G 数学模型 双馈发电机是一个高阶 非线性 强耦合的多变量模型 建立其数学模型 通常做以下假设 对于磁路饱和及铁芯损耗不予以考虑 三相绕组对称 产生的 磁动势沿气隙圆周正弦规律分布 绕组电阻不考虑频率和温度变化所产生的影响 并将转子侧绕组折算到定子侧 每相匝数经过折算后都相等 据此双馈发电机绕 组被等效为下图所示的的物理模型 图中定子三相绕组轴线A B C 空间位置 固定 各相相差1 2 0 度 参考坐标轴为定子A 轴 转子绕组的轴线a b c 随转 子旋转而旋转 假定转子a 轴和定子A 轴之间夹角的电角度鼠为转子位置角 转 子绕组以缈 的电角速度旋转 定子侧按发电机惯例 定子电流以流出为正 转子 侧按电动机惯例 转子电流以流入为正 可列出双馈电机的电压 磁链 转矩和 运动方程 2 引 双馈风力发电机f 叹电压穿越控制筑略研究 图2 7 双馈电机绕组等效物理模型 1 电压方程 通过基尔霍夫定律及楞次定律可的定子和转子回路的电压平衡方程可以描述 为 U A2 甜B 2 c 一 R 警 一 B 警 一屯足 等 乞B 警 乇耳 警 飒 警 2 4 2 5 式中 c 甜6 甜 t 乞 i 6 乏 虬 缈6 R s 耳 分别为定子和转子相电压 相电流瞬时值 各相绕组的磁链和等效电阻 如果将电压方程写成矩阵形式 fR 等 2 6 讲 式中 电压相量甜 甜 u o 丁 电流相量江 如七乞i 6t 丁 磁 链向量l f 虬 虬 丁 电阻向量R d i a g R s 匙R s 耳R 墨 2 磁链方程 硕士学位论文 式 2 6 中每个绕组的全磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链 之和 因此绕组的磁链可表示为 阱 二乏地卜 亿7 式中 y 眇一少F r rV 少 妒 沙6 妒 J L 屯F f 阮 t r 感 k 厶 厶l 厶l 1 一i k l 二 1 一i k l 二 厶l 厶2 1 一j 厶 1 一i 厶l L 巧 乙 1 一五k 乙l 厶l 1 一i 厶肼1 J 0 1 一互k 厶l 厶2 1 r 一虿厶册 1 一j 厶 1 一i 厶l 二 乙l 厶l 1 r i 厶肘1 1 一虿厶 乙I 厶2 t o s S c o s B 1 2 0 c o s 0 一1 2 0 c o s 屏一1 2 0 c o s 0 c o s e 1 2 0 c o s 8 1 2 0 c o s 啡一1 2 0 c o s t 式中 厶 是与转子或定子绕组交链的最大互感磁通对应的转子或定子绕组互 厶 厶 分别为定 转子漏电感 3 转矩方程 将式 2 7 代入式 2 6 中 得到式 f 尺 生 堕f mm 在三相静止A B C 坐标系下 双馈电机电磁转矩转矩方程可描述为 t 2 射j 鲁州参叫 其中 刀 为双馈电机极对数 把磁链方程代入上式 则可以将转矩方程改为 2 8 2 9 双馈风力发电机f 瞳电压穿越控制策略研究 瓦 一疗p 厶I i A i a i B i b f c t s i n B 蠢 f c f c s i n 0 r 1 2 0 2 1 0 i A i c i s i i c i b s i n O r 一1 2 0 4 运动方程 假设原动机的输入机械转矩为乙 电磁转矩t 和转子的转动惯量J 决定的惯 性转矩两部分组成与原动机转矩相平衡的转矩 可以得到转矩之间的平衡关系为 乙 z 一J 譬 2 1 1 I p u l 方程 2 4 2 1 1 是D F I G 在三相静止A B C 坐标系下的数学模型 可以看出 D F I G 个绕组之间强耦合和电磁转矩与定转子各相电流之间的非线性性 使分析 和求解这组非线性方程组十分困难 为了简化分析研究 可借助坐标变换的方法 对D F I G 的数学模型进行简化 2 2 2 幽旋转坐标系下的D F I G 数学模型 根据不同坐标系下产生的磁动势相同的原则 将交流电机物理模型等效变换 成类似直流电机的模式 在同步旋转由坐标系中表示成直流量的形式 使系统分 析得到简化 设由坐标系以缈 同步角速度速旋 通过C l a r k 变换和P a r k 变换 将三相静止坐标系中的电压 电流 磁链和转矩变换到由坐标系下 则得到同步 旋转幽坐标系下的D F I G 的数学模型为 1 电压方程 一R 么一鲁 织 驴一足 一歹d 一毗 2 1 2 耳 丢 一q l 母乞 丢 织 其中 分别为定子和转子电压的d q 轴分量 么 0 0 0 分别为定子和转子电流的d q 轴分