發(fā)布時間：2014-12-15 10:01

【摘要】 隨著我國風力產業(yè)近年來迅猛發(fā)展,國網公司對于風電并網要求尤其是對風機低電壓穿越標準進行了更加明確的規(guī)定。本文重點對雙饋風力發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行以及低電壓穿越控制進行了理論分析和控制策略研究,分析了傳統(tǒng)的crowbar低電壓穿越控制策略存在的問題,在此基礎上研究了基于轉子側變流器控制的低電壓穿越策略,同時對其進行了仿真驗證。本文分析了采用背靠背變流器的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行原理,以及正常電網電壓下的雙饋電機在三相坐標系以及兩相旋轉坐標系下的數學模型,并在此基礎上介紹了經典的定子磁鏈定向的電機矢量控制策略,同時對網側變流器的電路拓撲數學模型以及電網電壓定向的雙閉環(huán)控制進行了研究。本文重點分析了電網電壓發(fā)生跌落故障后的電機動態(tài)數學模型,從數學的角度上分析了電機的暫態(tài)過程,以及零序與負序分量所造成的危害及影響。并對在對稱跌落下傳統(tǒng)的crowbar控制策略及在不對稱跌落下減小負序危害的電機不平衡控制進行了研究。本文從電機暫態(tài)數學模型的角度出發(fā),重點分析了應用電機轉子側變流器控制的低電壓穿越控制策略,其中定子磁鏈衰減控制可以通過改變轉子電流向量的方向實現磁鏈的快速衰減,磁鏈追蹤控制可以通過對轉子磁鏈的控制實現對轉子側過電流的抑制,提高了電機在電網電壓故障下的控制性能。同時文章中通過對故障下無功電流極限輸出能力的計算給出了一種合理的無功電流分配原則。本文還分析了現階段應用較為普遍的LCL型并網逆變器的控制策略,研究了虛擬阻抗的有源阻尼控制與消除電網電壓擾動影響的狀態(tài)前饋控制策略,提高了其作為網側變流器的穩(wěn)定性,使得風力發(fā)電系統(tǒng)中的背靠背變流器控制技術在應對電網故障時有著更高的可靠性。作為對理論分析的驗證,本文應用MATLAB軟件對1.5MW雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在電網電壓正常下以及電壓跌落的不同環(huán)境下進行了仿真研究,在雙饋電機矢量控制的基礎上,對傳統(tǒng)低電壓穿越控制中的crowbar電路控制以及雙dq不平衡控制進行了仿真分析。針對crowbar控制策略存在的問題重點對基于轉子側變流器控制的低電壓穿越策略進行了仿真研究,最后對LCL型的并網逆變器進行了電網故障下的仿真研究。 

1引言

1.1課題背景
1.1.1 國內外風力發(fā)電背景
上個世紀70年代以來，由于石油煤炭等等化石能源危機以及氣候變化的因素影響，能源的可持續(xù)開發(fā)正在慢慢的成為國際中的熱點話題，可再生能源的逐步開發(fā)利用也日益成為了科學界中的重點研究對象。在進入21世紀以后，能源的安全與環(huán)境問題的日益嚴峻，許多國家將開發(fā)利用新能源技術作為其能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，同時將其作為緩解能源危機、減少二氧化碳等溫室氣體排放以及應對全球變暖等等氣候變換問題的重要措施，各個國家紛紛出臺相關目標與扶持政策，希望能夠刺激可再生能源的發(fā)展。全球已有35個發(fā)達國家以及100多個發(fā)展中國家設立了全國性質的可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，同時出臺了相關法律法規(guī)以及相關政策來扶持可再生能源的發(fā)展，歐盟甚至做出明確規(guī)定，要求可再f能源在一次能源中所占有的比例要從1997年的6%提高到2010年的12%，在2020年要達到20%，2050年后要求達到50%。
可再生能源包括風能、太陽能、地熱能以及潮沙能，該產業(yè)在近年來發(fā)展十分迅速，成為了一種新型能源產業(yè)，具有十分廣闊的前景。在可再生能源中，風能是一個非常巨大的資源，風能的安全、清潔、充裕等等特點能提供源源不斷并且穩(wěn)定的能源供應。很多調查報告中指出，全球風能資源非常豐富，并且在幾乎所有的國家和地區(qū)均有分布，調查顯示理論上可以轉換為電力的風能每年約53萬億kWh，這個數字約為2020年全球電力需求的2倍。風能作為最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電方式，上世紀90年代以來全球風電年平均增長率超過30%，已成為發(fā)展最快的新型能源行業(yè)，而隨著風力發(fā)電技術的提高以及生產規(guī)模的增長，使風力發(fā)電成本逐年下降，風力發(fā)電為全球能源經濟向以清潔能源為基礎的模式轉型提供了一個良好機會。目前石油煤炭等化石能源的價格的持續(xù)攀升以及各國對溫室氣體的排放的逐漸控制，進一步促進了風能產業(yè)的發(fā)展，風電機組裝機容量持續(xù)增長，正在逐步進入平穩(wěn)發(fā)展的軌道。在經過了多年快速的發(fā)展，風力發(fā)電成為了繼火電、水電以及核電之后的另一項主要的發(fā)電電源，牢牢的占據著其在新能源產業(yè)中的龍頭。數據顯示，截止2010年年底，全球風力發(fā)電的總裝機容量已經達到199523MW，而其余的新能源產業(yè)如生物發(fā)電約為62000MW,太陽能發(fā)電約為39000MW，地熱能發(fā)電約為11000MW⑴。
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1.2 雙饋風力發(fā)電技術概述
雙饋電機的概念足大約在20世紀初期被人提出的，在經過了多年的發(fā)展后，雙饋電機的制造技術以及控制技術得到了不斷的提高，同吋應丨jj雙饋屯機的場六也越來越多�，F階段的雙饋屯機結構分為刷雙饋電機與無刷雙饋電機。其屮Y]'刷雙饋電機的結構匈繞線式異步電機類似，轉T側繞組經過沿環(huán)與碳刷引出，而這些結構的存在使得電機的運行成本坊加，柄加了電機的維修工作量，因此越來越多的研究將M光轉移到了無刷式雙饋電機。丨I前無刷式雙饋電機主要軒級聯式雙饋電機191與獨立式雙饋電機_兩種結構，由于無刷式感應電機的電機漏感相對較大，因此其在應對故障屮的動態(tài)性能相對平緩，無刷式雙饋電機得到了越來越多的青陳。不過無刷式雙饋電機也存在一定程度上的不足，1t先對于級聯式雙饋電機，山于需要增加一臺額外的控制電機，使得電機的運行效率在一定程度上存在損耗，而對于獨立式雙饋電機，其定子的結構存在一蜜繞組與兩蜜繞組兩種形式，如何對定了側繞組進行合理的布局足需要解決的關鍵問題。在丨彳前普適應用的風力發(fā)電I li機巾所指的雙饋電機均為打刷型雙饋電機，下文111提到的“雙饋電機”在不添加額外說明的情況下，均指的是存刷型雙饋電機。
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2雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)建模及控制

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)一般由變槳系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)及主控系統(tǒng)組成。本文主要討論風機巾發(fā)電系統(tǒng)的控制策略�，F如今雙饋風機發(fā)電變流器已較為成熟，一般為背靠背式變流器，分別為對電機進行控制的電機側變流器以及平衡直流電壓同時并網的電網側變流器。在現行的拓撲結構中，由于電機側變流器一般與轉子側直接相連，因此電機側變流器也稱為轉子側變流器；由于電網側變流器直接并網且基本結構為PWM整流器，因此其也被稱為并網逆變器，在下文中上述名稱是等效的。本章也將就這兩方面的內容進行討論。
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2.1雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理
雙饋風力發(fā)電機的電機本身是繞線轉子感應電機或專門設計的電機，其結構與控制策略與異步繞線感應電機類似，由于雙饋電機可以由定子側與轉子側雙向饋送能量，因此被稱為“雙饋”電機。雙饋電機的轉子側由變流器控制，可以對電機進行勵磁調節(jié)，因此雙饋電機又被稱為交流勵磁同步電機。
在風機應用背靠背變流器并入電網正常工作時，其結構圖如圖2.1所示，由于電機定子繞組直接與工頻電網相連，因此電機的定子側電壓頻率為固定值；而轉了繞組通過背靠背變流器并入電網，其變流器的輸出電壓幅值、頻率以及相位皆可調節(jié)，正是這點使得雙饋電機的控制方式更為靈活。
由于雙饋電機類似于交流感應電機，因此可以參考感應電機穩(wěn)態(tài)運行時運行狀態(tài)及數學方程。
感應電機很重要的特點是定子磁鏈與轉子磁鏈在空間中相對靜止，根據異步感電機的轉差率的定義可知：
其中為轉子側電壓電流頻率，為定子側電壓電流頻率。
當感應電機的負載發(fā)生變化時，轉子的轉速和轉差率將隨之變化，使轉子導體中的感應電動勢，電流和電磁轉矩發(fā)生相應的改變。按照轉差率的正負以及大小，可以將感應電機的運行方式分為電動狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)及電磁制動狀態(tài)。
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3 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術 .......................43-67 
3.1 低電壓穿越技術簡介 ...............................43-44 
3.2 三相對稱跌落故障中雙饋電機的傳統(tǒng)控制策略 .................44-51 
3.2.1 跌落故障中雙饋電機的電磁過渡過程分析 ............44-45 
3.2.2 三相對稱跌落故障中雙饋電機的動態(tài)響應 ..............45-49 
3.2.3 低電壓穿越中crowbar電路控制策略 ................49-51 
3.3 三相不對稱跌落故障中雙饋電機的控制策略 ...................51-57 
3.3.1 三相不對稱跌落故障中雙饋電機的動態(tài)響應............... 51-55 
3.3.2 不對稱跌落時的轉子側基本控制策略.................. 55-57 
3.4 系統(tǒng)仿真波形及分析 ..............57-67 
3.4.1 對稱跌落故障仿真................... 57-62 
3.4.2 不對稱跌落故障仿真 ...................62-67 
4 基于轉子側變流器控制的低電壓穿越技術 ..............67-85 
4.1 基于轉子側的定子磁鏈衰減控制策略........... 67-71 
4.1.1 定子磁鏈衰減控制原理分析 ..............67-69 
4.1.2 定子磁鏈衰減控制的實現...................... 69-71 
4.2 基于磁鏈追蹤的雙饋電機低電壓穿越策略 ............71-75 
4.2.1 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制原理分析............ 71-72 
4.2.2 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制的實現............... 72-75 
4.3 低電壓穿越中的無功補償控制 ..........................75-78 
4.3.1 電機側變流器無功電流控制...........................75-76 
4.3.2 電網側變流器無功電流控制........................76-77 
4.3.3 低電壓穿越中無功電流比例的調節(jié).................. 77-78 
4.4 系統(tǒng)仿真波形及分析.................... 78-85 
4.4.1 轉子側控制的定子磁鏈衰減仿真....................... 78-80 
4.4.2 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制仿真 ...................80-82 
4.4.3 低電壓穿越中的無功電流補償控制仿真.................. 82-85 

5 電網側變流器的低電壓穿越控制策略

前文中重點介紹了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中電機側轉子側變流器的控制，本章中將分析網側變流器應對電網故障尤其是低電壓故障中的控制策略。通過第二章中對網側變流器器的分析可以了解到其本質上為PWM整流器，而對于一般而言的PWM整流器，其濾波原件為單L型濾波器。而隨著電網電壓的可靠性與電能質量在日趨復雜的電網中越來越受到重視，尤其是在諧波較重或負載對電壓的需求較為敏感時，對電網中諧波的抑制顯的更加的重要。隨著電力電子技術的發(fā)展，由高頻開關引起的高頻諧波對電網中的濾波器提出了更高的要求。由于單L型濾波對高頻的消除作用有限，一種新型的LCL型濾波器得到了越來越多的關注。LCL濾波器擁有更高的高頻響應特性，能夠更好的濾除由于高頻開關引起的高頻諧波，同時允許用較低的開關頻率達到更高的諧波要求，并且擁有更好的減少電磁干擾的效果 H0"43]。
通過第二章的分析可以得知電網電壓的前饋可以很好的應對電網跌落故障甚至于網壓畸變所帶來的影響，可是對于LCL型變流器來說簡單的網壓前饋不能得到很好的控制效果，因此分析一種新型的前饋控制來應對電網故障是十分必要的，同時由于LCL濾波器屬于高階系統(tǒng)，其控制策略需要重新設計來適應電網的諸多’要求。
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結論

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的研究是現如今風力發(fā)電研究中的一個重要的組成部分，本文以1.5MW雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，重點對電機在低電壓故障下的控制策略進行了理論分析以及仿真驗證，驗證了文章中提到的幾種低電壓穿越控制策略的可行性�，F將論文中的具體工作總結如下：
1、分析了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，對電網電壓正常下的雙饋電機進行了數學建模分析，通過得到的數學模型推倒出了雙饋電機的定子磁鏈定向的矢量控制策略。同時分析了發(fā)電系統(tǒng)中網側變流器的工作原理以及數學模型，并介紹了電網電壓定向的電壓電流雙閉環(huán)矢量控制策略。
2、對電機在電網電壓跌落情況下的電流電壓及磁鏈方程進行了數學推導，從理論上分析了電機在跌落故障下的過壓過流的原因。并介紹了基本的電機不平衡控制策略與傳統(tǒng)的crowbar電路低電壓穿越控制策略，分析了 crowbar電阻的選取方式與crowbar電路控制的不足。
3、通過分析電壓跌落過程中的電磁過渡過程與電機數學模型f文章中研究了兩種應用轉子側變流器控制的低電壓穿越控制策略。一個為加速零序磁鏈衰減的定子磁鏈衰減技術，另一個為減小轉子側過流的定子磁鏈追蹤技術。這一類控制中均沒有觸發(fā)外部的硬件電路，僅僅是通過添加額外的變流器控制從而提升了雙—饋電機在應對電網跌落故障中的可靠性。
4、針對現如今應用更為普遍的LCL濾波器型并網逆變器，文章重點對抑制電感電容諧振的有源阻尼控制以及消除電網電壓干擾的前饋控制策略進行了分析，改善了變流器的性能，使其在面對電網電壓故障時的可靠性進一步增強。
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本文編號：10280