广义谐波电网环境下双馈风电系统增强运行能力研究

摘要

随着在电力供应中风力发电并网容量的增大以及功率电子并入电网所带来电网电压畸变的趋势，对高性能双馈风力发电系统的需求将变得更迫切。随着各国电网准则和电力设置对电能质量要求越来越严格，适应各种电网环境下的双馈风力发电系统高性能控制策略变得成为一种必然要求。在广义谐波电网电压环境下目前研究尚未达到电压骤变情况下的穿越运行控制策略成熟。本文力图在现有控制策略下进行改进，达到高性能的控制效果;同时，对一些近年来出现的控制算法进行了一些研究，以期达到广义谐波电网电压环境下双馈风电系统的最优运行性能。从系统数学建模、理论分析到验证三个方面展开全面、深入的研究。
　　针对实际电网电压中存在实时动态变化的谐波运行环境，提出电压源型并网变流器广义谐波下的滑模变结构直接功率控制;其实施是针对所有次数谐波，该控制策略不需实时精确的电网谐波次数和相位检测，具有实际工程应用价值。在以往研究成果的基础上，建立了广义畸变电网环境中的并网电压源型变流器(grid-connected voltage-sourced converters，VSC)的完整数学模型，提出三种该运行环境下的控制目标，完成了滑模变结构直接功率控制设计。同理，为提高双馈感应风力发电机(DFIG)的运行性能，提出广义谐波电网电压环境下的DFIG滑模变结构直接功率控制，建立了广义畸变电网环境中DFIG的完整数学模型，提出三种该运行环境下的控制目标和补偿功率控制目标提取算法，完成了改进的滑模变结构直接功率控制设计，增强了DFIG在实际环境中的运行能力。在以上研究理论基础上，提出来一种整个双馈风电系统在广义谐波电网电压环境下的改进滑模变结构直接功率控制。通过对在广义畸变环境下双馈风电系统的功率潮流分析，为制定控制任务和控制策略奠定了基础。确定在机侧变换器的主要控制任务为抑制定子谐波电流输出，而在网侧变换器的主要控制任务为维持直流母线电压恒定，消除畸变电网电压时传统控制策略存在的直流电压波动。又通过对电抗器功率的分析以及设计网侧主控制器和辅助控制器结合，从而达到整个双馈风电系统广义畸变环境下的最合理和最优化控制性能。所提控制策略消除了既往研究结果对广义交流量调节能力的不足。
　　为了简化数学模型以及减少以上研究所需的锁相环节，同时克服滑模变结构控制的稳态性能不佳的问题，提出了一种双馈感应风力发电机非线性控制系统的设计方法，无论正常电网电压环境还是广义畸变电网电压环境均适用，即统一的反推直接功率控制策略。首先，广义谐波环境下统一的双馈电机的数学模型被建立在工程应用的基础上，这点区别于以上研究。如为了减少锁相环节，未采用谐波合成矢量的概念而采用数量场之和，达到减少运算量，同时对数学模型进行详细分析的基础上合理简化。与此同时，由于-1次谐波即不平衡电网电压幅值往往较大，为了未来进行区别的控制，所研究的谐波不含-1次成分。其次，对反推算法进行了简要介绍后结合双馈电机模型进行了详细的统一反推直接功率控制设计。再次，对正常和广义谐波电网电压下双馈电机的功率关系进行分析后，完成定子谐波电流抑制的统一功率控制目标设计，包括谐波电网电压时的补偿功率控制目标算法设计，其值在理想电网时自动为零。对采用了谐振控制器的传统矢量控制和查表法直接功率控制进行了简要的梳理和简单的改进，对反推控制算法的一般性设计方法和拓展潜力进行了简要的介绍。该策略比较充分的利用了自身对广义交流量调节能力。
　　最后，在一台2MW的双馈风力发电系统中对所提的理论分析以及控制策略进行了验证，证明本论文所研究的直接功率控制策略在双馈风力发电中具有一定的理论价值和工程应用前景。

目录

声明

致谢

前言

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 能源和环境危机与可再生能源

1．1．2 风力发电的地位与趋势

1．2 风电系统主要拓扑结构

1．2．1 全功率和部分功率励磁系统比较

1．2．2 变桨距结构

1．3 变速恒频双馈风电系统的控制策略现状

1．3．1 理想电网条件下双馈风电系统控制策略

1．3．2 电网电压骤降条件下双馈风电系统的穿越控制策略

1．3．3 电网电压骤升条件下双馈风电系统的穿越控制策略

1．3．4 谐波电网条件下双馈风电系统的控制策略及其不足

1．4 本论文的主要研究内容

参考文献

第2章 广义畸变电网条件下网侧变换器滑模变结构直接功率控制研究

2．1 引言

2．2 广义畸变电网条件下网侧变换器数学模型

2．3 广义畸变电网条件下网侧变换器滑模变结构直接功率控制

2．3．1 改进滑模变结构直接功率控制设计

2．3．2 稳定性分析

2．3．3 鲁棒性分析

2．4 仿真研究

2．4．1 网侧变换器改进与传统滑模变结构直接功率仿真比较

2．4．2 网侧变换器滑模变结构直接功率控制鲁棒性仿真研究

2．5 本章小结

参考文献

第3章 广义畸变电网条件下转予侧变换器滑模变结构直接功率控制研究

3．1 引言

3．2 广义畸变电网条件下转子侧变换器数学模型

3．3 广义畸变电网条件下转子侧变换器滑模变结构直接功率控制

3．3．1 改进滑模变结构直接功事控制设计

3．3．2 稳定性分析

3．3．3 鲁棒性分析

3．4 仿真研究

3．4．1 转子侧变换器改进与传统滑模变结构直接功率仿真比较

3．4．2 转子侧变换器滑模变结构直接功率控制鲁棒性仿真研究

3．5 本章小结

参考文献

第4章 广义畸变电网条件下网侧和转子侧变换器的协同控制策略

4．1 引言

4．2 广义畸变电网下双馈风电系统功率关系与协同控制目标分析

4．3 双馈风电系统协同控制策略

4．4 仿真研究

4．4．1 改进与传统滑模变结构直接功率单谐波次数电网电压下仿真比较

4．4．2 改进与传统滑模变结构直接功率多谐波次数电网电压下仿真比较

4．5 本章小结

参考文献

第5章 正常和广义畸变电网条件下双馈风力发电机统一反推直接功率控制研究

5．1 引言

5．2 增加谐振控制器的传统矢量控制

5．2．1 dq坐标系下的DFIG数学模型及其矢量控制介绍

5．2．2 定子谐波电流抑制的PIR控制策略介绍

5．3 增加改进功率控制目标的查表法直接功率控制

5．4 统一的反推直接功率控制算法

5．4．1 正常和广义畸变电网条件下双馈感应风力发电机统一简化数学模型

5．4．2 统一的反推直接功率控制算法设计

5．4．3 反推控制算法的一般和扩展应用

5．5 仿真研究

5．6 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 本文的主要结论与创新点

6．2 后续研究工作展望

攻读硕士学位期间研究成果