雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁和暫態(tài)控制研究.pdf

1、雙饋風(fēng)電機(jī)組配備的變流勵(lì)磁裝置容量較小、控制性能好，在世界范圍內(nèi)已獲得了最大的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)份額。由于MW級(jí)大規(guī)模風(fēng)電接入的電網(wǎng)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電網(wǎng)薄弱。雙饋風(fēng)電變流器只提供機(jī)組的滑差容量，在電網(wǎng)故障條件下的暫態(tài)運(yùn)行能力成為目前雙饋風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模接入的技術(shù)瓶頸，大規(guī)模風(fēng)電解裂的風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯。本文圍繞雙饋?zhàn)兞骷夹g(shù)展開研究，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障條件下的暫態(tài)特性和控制方法，以期提升雙饋發(fā)電機(jī)對(duì)故障電網(wǎng)的適應(yīng)性和降低暫態(tài)

2、沖擊對(duì)電力系統(tǒng)的影響。
　　本文的主要內(nèi)容如下：
　　1.研究網(wǎng)側(cè)變流器正負(fù)序解耦控制算法。分析網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓與逆變有功電流最大值的空間矢量關(guān)系，提出一種基于最大直流母線電壓利用率的功率逆變控制方法，抑制暫態(tài)過程中的直流母線過電壓。針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)存在負(fù)序電流的問題，提出一種基于網(wǎng)側(cè)變流控制的負(fù)序電流補(bǔ)償策略。在電網(wǎng)電壓不平衡故障條件下，以變流器直流母線電壓的指令量為基準(zhǔn)，分析交直流功率的積分對(duì)直

3、流母線電壓的影響，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓脈動(dòng)頻率和幅值的解析，得出直流母線電壓脈動(dòng)幅值對(duì)負(fù)序電流補(bǔ)償能力的約束條件，最大限度地實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流補(bǔ)償和減小風(fēng)電機(jī)組注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流。
　　2.針對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流指令波動(dòng)性大，轉(zhuǎn)子控制電壓-勵(lì)磁電流傳遞函數(shù)慣性極小，轉(zhuǎn)子變流器離散化控制時(shí)滯性嚴(yán)重影響機(jī)組的電能輸出質(zhì)量和穩(wěn)定性，通過Pade'等效法對(duì)變流器的滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行近似描述，分析基于典型Ⅰ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子電流開環(huán)傳遞函數(shù)和相應(yīng)的閉環(huán)傳遞

4、函數(shù)，采用比例積分控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制。對(duì)轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行降階，提出采用積分控制器實(shí)現(xiàn)定子電流外環(huán)控制的方法，推導(dǎo)基于典型Ⅰ型系統(tǒng)的定子電流外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)和相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。根據(jù)變流器開關(guān)頻率是影響定轉(zhuǎn)子電流控制性能的主要因素，提出一種基于變流器開關(guān)頻率函數(shù)的I-PI雙電流閉環(huán)控制和參數(shù)整定方法，為雙饋發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電流控制器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　3.提出一種電網(wǎng)電壓不平衡條件下的雙饋系統(tǒng)電網(wǎng)支撐控制策略。針對(duì)

5、電網(wǎng)末梢易產(chǎn)生嚴(yán)重電網(wǎng)故障、薄弱輸配電線路阻抗比(R/X)較大和嚴(yán)重電網(wǎng)故障下轉(zhuǎn)子變流器控制存在局限性的特點(diǎn)，在電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)下以電網(wǎng)支撐為控制目標(biāo)，利用高R/X比線路的壓降，建立正序電壓支撐(Positive Sequency-Voltage Support，簡(jiǎn)稱PS-VS)和負(fù)序電壓抑制(Negative Sequency-Voltage Restrain，簡(jiǎn)稱NS-VR)控制模型。針對(duì)正負(fù)序電壓的快速解耦，在直流信號(hào)階躍和兩倍

6、頻交流信號(hào)輸入條件下，研究陷波濾波器品質(zhì)因數(shù)對(duì)陷波環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和暫態(tài)振蕩特性的影響，給出品質(zhì)因數(shù)的合理整定值。針對(duì)PS-VS和NS-VR模型，闡述正序有功電流和負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓水平的支撐和不平衡度的抑制作用，定量分析雙饋發(fā)電系統(tǒng)的額定容量對(duì)正序有功電流和負(fù)序電流輸出的限制，研究PS-VS子功能和NS-VR子功能的容量分配方法，改善雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡故障條件下的并網(wǎng)條件。
　　4.研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組crowb

7、ar觸發(fā)期間的定轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流和crowbar電阻整定方法。通過微分方程的Laplace變換實(shí)現(xiàn)線性代數(shù)方程的聯(lián)立，推導(dǎo)定轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的頻域和時(shí)域解析表達(dá)式。在時(shí)域中分析定轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)的指數(shù)函數(shù)，研究電網(wǎng)電壓突變和crowbar電路觸發(fā)后的暫態(tài)電流衰減特性，揭示定轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流衰減時(shí)間常數(shù)在不同轉(zhuǎn)速和crowbar阻值條件下的變化規(guī)律，提出一種基于暫態(tài)電流衰減時(shí)間常數(shù)設(shè)定的線性crowbar阻值整定方法，并提出一種線性cr

8、owbar電路與非線性三相不控整流crowbar電路的crowbar阻值折算原則，確保轉(zhuǎn)子變流器在恢復(fù)勵(lì)磁后具備可控性和無功補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間滿足電網(wǎng)接入要求。
　　5.建立雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算定轉(zhuǎn)子暫態(tài)磁鏈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流控制的精確前饋補(bǔ)償，提出暫態(tài)過程的雙饋發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)控制方法。在此基礎(chǔ)上，研究?jī)煞N強(qiáng)勵(lì)控制策略。第一種策略通過動(dòng)態(tài)觀測(cè)定子暫態(tài)直流磁鏈空間矢量角，控制轉(zhuǎn)子變流器輸出直流滅磁電流，實(shí)現(xiàn)定子直流暫態(tài)磁鏈的快速衰減，

9、并揭示轉(zhuǎn)子滅磁電流歸零過程影響滅磁效果的規(guī)律，推導(dǎo)轉(zhuǎn)子變流器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)直流滅磁控制的必要條件;第二種策略通過電網(wǎng)故障電壓的鎖相和定子暫態(tài)直流磁鏈的觀測(cè)，計(jì)算轉(zhuǎn)子變流器的暫態(tài)電流指令，提出基于暫態(tài)直流磁鏈補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)子電流勵(lì)磁策略。針對(duì)轉(zhuǎn)子變流器的暫態(tài)勵(lì)磁電流包含穩(wěn)態(tài)交流分量和直流補(bǔ)償分量，提出一種基于多分量增益的并聯(lián)比例諧振控制策略，通過分析控制帶寬整定控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障過程中定子電流的正弦控制。上述兩類強(qiáng)勵(lì)控制策略，突破現(xiàn)有crow

10、bar技術(shù)在暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)子變流器存在閉鎖失控、雙饋機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)存在有功無功和不同頻率分量交流電流沖擊的弊端，為雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)接入性能的提高提供了新的思路。
　　6.搭建30kW雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行電網(wǎng)電壓不平衡條件下網(wǎng)側(cè)變流器負(fù)序電流補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)和功率因數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)、基于非線性整流crowbar電路的低電壓穿越暫態(tài)特性分析實(shí)驗(yàn)、基于暫態(tài)磁鏈補(bǔ)償前饋的低電壓穿越強(qiáng)勵(lì)直流滅磁實(shí)驗(yàn)和基于定子電流正弦控制的低電壓穿越強(qiáng)勵(lì)控制