双馈风电变流器的谐振控制技术研究

【摘要】：随着风电在电网中所占比重的大幅增加,并网风电机组对电力系统的稳定性影响日益显著。为此,世界各主要风电大国纷纷出台并网导则,对风电机组的运行可靠性作出明确要求。其中,并网导则对风电机组在电网故障条件下的行为约束,被公认为是对风电机组的严峻挑战。该约束的核心要求可概括为,不仅要求风电机组能够“适应”各类电网故障,还要求其具备“支撑”故障电网恢复的能力。从常见电网故障类型角度看,电网电压不平衡、谐波畸变、对称(或不对称)骤升、跌落故障对并网风电机组的危害最为直接、普遍,影响也最为显著。因此,开展该类电网故障下并网风电机组的运行特性研究,并提出相应控制对策,具有十分重要的理论研究和工程应用价值。 在此背景下,本文以作为主流机型的双馈型风电机组为研究对象,以谐振控制器的拓展应用为核心,以理论分析、仿真研究和实验验证为手段,深入、系统研究了该类风电机组在电网电压不平衡及谐波畸变、跌落及骤升等常见故障下的行为特征,提出了与并网导则相适应的电网友好型风电机组的改进控制策略。论文的研究重点是：1)广义电网电压不平衡及谐波畸变时DFIG机组的建模分析及谐振控制策略；2)电网骤升故障下DFIG机组的高电压穿越运行技术。论文的主要研究内容和贡献有： 1.系统梳理了谐振控制器在双馈风电变流器应用中的关键问题,为该技术在风电场中的推广应用奠定了理论基础。内容包括：对比研究了三种谐振(R)控制器的常见应用形式,即比例谐振(PR)、矢量比例积分(VPI)和比例积分谐振(PIR)控制器,从对基波、谐波电流的调节能力、计算复杂性和频率自适应能力三个方面归纳了三种控制器的基本特点和适用场合；以PR控制器为例,系统解答了R控制器在工程应用中需关注的三个难点问题,即参数整定、相位补偿和离散化,特别地,提出了一种基于根轨迹法和频域分析法相结合、较完整的基频、多倍频PR控制器参数设计方案；此外还提出了一种基于谐振控制器的电网电压同步信号的检测方法。 2.首次从电网不平衡及含低次电压谐波时DFIG机组的数学建模入手,采用解析表达的形式评估了该类电网故障对DFIG定子(或转子)电流不平衡度、畸变程度以及对瞬时有功、无功功率和电磁转矩的影响；基于所建立的DFIG完整数学模型,提出了改善机组运行性能的谐振控制策略。首先建立了电网电压含5次、7次等低次谐波分量时DFIG的完整数学模型,评估了低次谐波对DFIG定子瞬时有功、无功功率和电磁功率的影响；基于DFIG的建模分析,提出了相应可选控制目标及相应电流指令算法,提出了适应谐波电网工况的DFIG风电机组谐振电流控制方案。 3.将上述建模方法拓展应用到电网电压不平衡且含5次、7次等低次谐波时的复杂电网工况,重构了该类工况下DFIG定子瞬时有功、无功功率和电磁功率的表达,厘清了功率、转矩中各类波动成分产生的根由；并据此提出了电网不平衡且含低次谐波电压时DFIG网侧、转子侧变流器的协同控制方案；基于所建立的DFIG风电机组完整数学模型,从工程应用角度出发,对DFIG转子侧、网侧变流器的电流指令简化和控制结构进行了系统改进、优化,提高了控制策略的工程实用性；首次建立了广义电网谐波条件下DFIG的一般化数学模型,该模型不仅可以用来分析5次、7次等传统电压谐波对DFIG运行性能的影响,也适用于分数次谐波甚至低频振荡危害的评估,具有较强的普适性,实现了本文数学建模思想的升华。 4.系统研究了电网电压骤升、跌落故障发生时DFIG风电机组的暂态响应过程,并结合并网导则要求,提出了DFIG机组的高电压穿越(HVRT)低电压穿越(LVRT)协同控制和保护方案。内容包括：分析了电网电压骤升故障对DFIG风电机组的主要危害,提出了影响DFIG机组HVRT运行能力的主要因素,据此提出了DFIG风电机组实现HVRT的可行性思路；从并网导对风电机组无功电流输出要求的角度,提出了满足DFIG机组HVRT运行的控制和保护策略；系统归纳了DFIG风电机组LVRT运行的技术难点和关键问题,在现有风电机组保护模块基础上,提出了完整的DFIG机组高、低电压穿越协同控制和保护实施方案。 5.研制了一种新型可编程电网故障模拟电源,该电源能够模拟电网电压对称、不对称跌落,三相不平衡,电压谐波畸变,频率漂移,相角跳变,电压幅值波动等多种电网故障,或两至三种故障兼而有之,且故障严重程度、持续时间等参数均可编程调节。与此同时,研发了一套5.5kW双馈风电机组样机,验证了本文所提出的电网电压广义不平衡及谐波畸变下DFIG机组数学模型的正确性、谐振控制策略的有效性,以及DFIG风电机组高电压穿越、低电压穿越协同控制方案的可靠性和稳定性。 【关键词】：风力发电 双馈感应发电机 变流器 电压不平衡 电压谐波畸变 高(低)电压穿越 谐振控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 资助5-6
• 致谢6-8
• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 目次13-16
• 第1章 绪论16-42
• 1.1 课题背景16-28
• 1.1.1 风能开发的历史必然16-17
• 1.1.2 国内外风电发展概况17-20
• 1.1.3 风电机组并网技术规范20-25
• 1.1.4 当前风电技术研究的热点25-28
• 1.2 电网电压不平衡及谐波畸变时DFIG风电机组的优化运行技术28-32
• 1.2.1 电压不平衡工况对DFIG风电机组的影响及对策28-30
• 1.2.2 电压谐波畸变工况对DFIG风电机组的影响及对策30-31
• 1.2.3 现有研究的不足31-32
• 1.3 电网电压跌落、骤升故障下DFIG风电机组的不脱网运行技术32-38
• 1.3.1 现有的低电压穿越(LVRT)技术32-36
• 1.3.2 现有的高电压穿越(HVRT)技术36-37
• 1.3.3 故障穿越(FRT)技术的发展趋势37-38
• 1.4 谐振控制器及其在DFIG变流器中的应用现状38-39
• 1.4.1 谐振控制器的适用场合38-39
• 1.4.2 谐振控制器研究的不足39
• 1.5 本论文的主要研究内容39-42
• 第2章 谐振控制器及其在双馈风电变流器控制中的应用基础42-82
• 2.1 引言42-43
• 2.2 基于实系数与复系数PI调节器的矢量控制方案性能比较43-50
• 2.2.1 基于实系数PI调节器的直接前馈补偿方案43-45
• 2.2.2 基于复系数PI调节器的间接前馈补偿方案45-46
• 2.2.3 两种电流控制方案的性能比较46-49
• 2.2.4 实验研究49-50
• 2.3 谐振式电流控制器的典型表达与基本特性50-58
• 2.3.1 比例谐振(PR)控制器50-53
• 2.3.2 矢量比例积分(VPI)控制器53-56
• 2.3.3 比例积分谐振(PIR)控制器56-57
• 2.3.4 三种控制器的比较57-58
• 2.4 比例谐振控制器在双馈风电变流器中的工程应用58-72
• 2.4.1 比例谐振控制器参数优化59-62
• 2.4.2 数字控制延时的影响与相位补偿62-64
• 2.4.3 频率自适应比例谐振控制器的数字实现64-66
• 2.4.4 仿真和实验结果66-72
• 2.5 谐振控制器在增强型数字锁相环PLL中的应用72-80
• 2.5.1 数字锁相环(PLL)的研究现状72-74
• 2.5.2 谐振式PLL的工作原理74-77
• 2.5.3 仿真研究和实验验证77-80
• 2.6 本章小结80-82
• 第3章 电网电压不平衡及谐波畸变时DFIG的谐振控制策略82-126
• 3.1 引言82
• 3.2 低次谐波电压对DFIG风电机组的危害评估及应对策略82-96
• 3.2.1 电网含低次谐波电压时DFIG的数学建模82-86
• 3.2.2 适应谐波电网工况的DFIG风电机组谐振电流控制86-92
• 3.2.3 仿真研究与实验验证92-96
• 3.3 电网不平衡且含低次谐波电压时DFIG的模型重构与控制改进96-103
• 3.3.1 转子侧变流器(或DFIG)的数学建模97-101
• 3.3.2 网侧变流器的数学模型101-102
• 3.3.3 电压不平衡及谐波畸变故障的危害评估102-103
• 3.4 电网不平衡且含低次谐波电压时DFIG网侧、转子侧变流器的协同控制103-115
• 3.4.1 转子侧变流器(RSC)的可选控制目标103-105
• 3.4.2 网侧变流器(GSC)的可选控制目标105
• 3.4.3 转子侧、网侧变流器的协同控制105-108
• 3.4.4 仿真研究和实验验证108-115
• 3.5 DFIG网侧、转子侧变流器协同控制方案的工程简化115-119
• 3.5.1 转子侧变流器(RSC)的控制简化115-116
• 3.5.2 网侧变流器(GSC)的控制简化116-119
• 3.6 广义电网谐波条件下DFIG谐振控制策略的拓展应用119-124
• 3.6.1 广义电网谐波条件下DFIG的数学建模119-121
• 3.6.2 广义电网不平衡及谐波条件下DFIG的改进控制121-124
• 3.7 本章小结124-126
• 第4章 双馈风电机组高、低电压穿越运行与谐振控制技术应用126-153
• 4.1 引言126
• 4.2 电网电压骤升对DFIG机组运行性能的影响126-132
• 4.7.1 网侧变流器(GSC)的工作特性126-128
• 4.2.2 转子侧变流器(RSC)的暂态过程128-132
• 4.3 DFIG风电机组的高电压穿越控制策略132-141
• 4.3.1 电网电压骤升期间DFIG定子侧、网侧输出无功电流极限132-135
• 4.3.2 基于谐振控制器的DFIG机组HVRT控制策略135-137
• 4.3.3 仿真研究和实验验证137-141
• 4.4 DFIG风电机组的低电压穿越运行技术141-148
• 4.4.1 低电压穿越运行的三个难点141-144
• 4.4.2 低电压穿越技术中的两个技术关键144-146
• 4.4.3 基于Crowbar保护的DFIG机组LVRT实现方案146-148
• 4.5 DFIG风电机组高、低电压穿越协同控制方案148-151
• 4.5.1 控制和保护系统工作流程148-149
• 4.5.2 仿真和实验研究149-151
• 4.6 本章小结151-153
• 第5章 双馈风电机组实验平台的研发153-169
• 5.1 引言153-154
• 5.2 可编程电网故障模拟电源的设计154-160
• 5.2.1 电压指令算法154-155
• 5.2.2 控制器设计155-156
• 5.2.3 系统构成156-157
• 5.2.4 实验测试结果157-160
• 5.3 DFIG风电机组样机的开发160-168
• 5.3.1 DFIG机组的系统组成160-161
• 5.3.2 DFIG机组的稳态、瞬态性能测试161-168
• 5.4 本章小结168-169
• 第6章 总结与展望169-174
• 6.1 本文的主要结论与创新点169-173
• 6.2 后续研究工作展望173-174
• 附录174-176
• 附录Ⅰ. 2MW DFIG仿真模型参数174
• 附录Ⅱ. 3MW DFIG仿真模型参数174-175
• 附录Ⅲ. 5 .5kW DFIG实验样机参数175-176
• 参考文献176-190
• 攻读博士学位期间取得的研究成果190-191

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