基于转子变流器控制的双馈风力发电低电压穿越技术

发布时间：2014-12-15 10:01

【摘要】 随着我国风力产业近年来迅猛发展,国网公司对于风电并网要求尤其是对风机低电压穿越标准进行了更加明确的规定。本文重点对双馈风力发电机稳态运行以及低电压穿越控制进行了理论分析和控制策略研究,分析了传统的crowbar低电压穿越控制策略存在的问题,在此基础上研究了基于转子侧变流器控制的低电压穿越策略,同时对其进行了仿真验证。本文分析了采用背靠背变流器的双馈风力发电系统运行原理,以及正常电网电压下的双馈电机在三相坐标系以及两相旋转坐标系下的数学模型,并在此基础上介绍了经典的定子磁链定向的电机矢量控制策略,同时对网侧变流器的电路拓扑数学模型以及电网电压定向的双闭环控制进行了研究。本文重点分析了电网电压发生跌落故障后的电机动态数学模型,从数学的角度上分析了电机的暂态过程,以及零序与负序分量所造成的危害及影响。并对在对称跌落下传统的crowbar控制策略及在不对称跌落下减小负序危害的电机不平衡控制进行了研究。本文从电机暂态数学模型的角度出发,重点分析了应用电机转子侧变流器控制的低电压穿越控制策略,其中定子磁链衰减控制可以通过改变转子电流向量的方向实现磁链的快速衰减,磁链追踪控制可以通过对转子磁链的控制实现对转子侧过电流的抑制,提高了电机在电网电压故障下的控制性能。同时文章中通过对故障下无功电流极限输出能力的计算给出了一种合理的无功电流分配原则。本文还分析了现阶段应用较为普遍的LCL型并网逆变器的控制策略,研究了虚拟阻抗的有源阻尼控制与消除电网电压扰动影响的状态前馈控制策略,提高了其作为网侧变流器的稳定性,使得风力发电系统中的背靠背变流器控制技术在应对电网故障时有着更高的可靠性。作为对理论分析的验证,本文应用MATLAB软件对1.5MW双馈风力发电系统在电网电压正常下以及电压跌落的不同环境下进行了仿真研究,在双馈电机矢量控制的基础上,对传统低电压穿越控制中的crowbar电路控制以及双dq不平衡控制进行了仿真分析。针对crowbar控制策略存在的问题重点对基于转子侧变流器控制的低电压穿越策略进行了仿真研究,最后对LCL型的并网逆变器进行了电网故障下的仿真研究。 

1引言

1.1课题背景
1.1.1 国内外风力发电背景
上个世纪70年代以来，由于石油煤炭等等化石能源危机以及气候变化的因素影响，能源的可持续开发正在慢慢的成为国际中的热点话题，可再生能源的逐步开发利用也日益成为了科学界中的重点研究对象。在进入21世纪以后，能源的安全与环境问题的日益严峻，许多国家将开发利用新能源技术作为其能源战略的重要一环，同时将其作为缓解能源危机、减少二氧化碳等温室气体排放以及应对全球变暖等等气候变换问题的重要措施，各个国家纷纷出台相关目标与扶持政策，希望能够刺激可再生能源的发展。全球已有35个发达国家以及100多个发展中国家设立了全国性质的可再生能源发展战略，同时出台了相关法律法规以及相关政策来扶持可再生能源的发展，欧盟甚至做出明确规定，要求可再f能源在一次能源中所占有的比例要从1997年的6%提高到2010年的12%，在2020年要达到20%，2050年后要求达到50%。
可再生能源包括风能、太阳能、地热能以及潮沙能，该产业在近年来发展十分迅速，成为了一种新型能源产业，具有十分广阔的前景。在可再生能源中，风能是一个非常巨大的资源，风能的安全、清洁、充裕等等特点能提供源源不断并且稳定的能源供应。很多调查报告中指出，全球风能资源非常丰富，并且在几乎所有的国家和地区均有分布，调查显示理论上可以转换为电力的风能每年约53万亿kWh，这个数字约为2020年全球电力需求的2倍。风能作为最具大规模开发和商业化发展潜力的发电方式，上世纪90年代以来全球风电年平均增长率超过30%，已成为发展最快的新型能源行业，而随着风力发电技术的提高以及生产规模的增长，使风力发电成本逐年下降，风力发电为全球能源经济向以清洁能源为基础的模式转型提供了一个良好机会。目前石油煤炭等化石能源的价格的持续攀升以及各国对温室气体的排放的逐渐控制，进一步促进了风能产业的发展，风电机组装机容量持续增长，正在逐步进入平稳发展的轨道。在经过了多年快速的发展，风力发电成为了继火电、水电以及核电之后的另一项主要的发电电源，牢牢的占据着其在新能源产业中的龙头。数据显示，截止2010年年底，全球风力发电的总装机容量已经达到199523MW，而其余的新能源产业如生物发电约为62000MW,太阳能发电约为39000MW，地热能发电约为11000MW⑴。
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1.2 双馈风力发电技术概述
双馈电机的概念足大约在20世纪初期被人提出的，在经过了多年的发展后，双馈电机的制造技术以及控制技术得到了不断的提高，同吋应丨jj双馈屯机的场六也越来越多。现阶段的双馈屯机结构分为刷双馈电机与无刷双馈电机。其屮Y]'刷双馈电机的结构匈绕线式异步电机类似，转T侧绕组经过沿环与碳刷引出，而这些结构的存在使得电机的运行成本坊加，柄加了电机的维修工作量，因此越来越多的研究将M光转移到了无刷式双馈电机。丨I前无刷式双馈电机主要軒级联式双馈电机191与独立式双馈电机_两种结构，由于无刷式感应电机的电机漏感相对较大，因此其在应对故障屮的动态性能相对平缓，无刷式双馈电机得到了越来越多的青陳。不过无刷式双馈电机也存在一定程度上的不足，1t先对于级联式双馈电机，山于需要增加一台额外的控制电机，使得电机的运行效率在一定程度上存在损耗，而对于独立式双馈电机，其定子的结构存在一蜜绕组与两蜜绕组两种形式，如何对定了侧绕组进行合理的布局足需要解决的关键问题。在丨彳前普適应用的风力发电I li机巾所指的双馈电机均为打刷型双馈电机，下文111提到的“双馈电机”在不添加额外说明的情况下，均指的是存刷型双馈电机。
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2双馈电机风力发电系统建模及控制

双馈风力发电系统一般由变桨系统、发电机系统及主控系统组成。本文主要讨论风机巾发电系统的控制策略。现如今双馈风机发电变流器已较为成熟，一般为背靠背式变流器，分别为对电机进行控制的电机侧变流器以及平衡直流电压同时并网的电网侧变流器。在现行的拓扑结构中，由于电机侧变流器一般与转子侧直接相连，因此电机侧变流器也称为转子侧变流器；由于电网侧变流器直接并网且基本结构为PWM整流器，因此其也被称为并网逆变器，在下文中上述名称是等效的。本章也将就这两方面的内容进行讨论。
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2.1双馈电机风力发电系统工作原理
双馈风力发电机的电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的电机，其结构与控制策略与异步绕线感应电机类似，由于双馈电机可以由定子侧与转子侧双向馈送能量，因此被称为“双馈”电机。双馈电机的转子侧由变流器控制，可以对电机进行励磁调节，因此双馈电机又被称为交流励磁同步电机。
在风机应用背靠背变流器并入电网正常工作时，其结构图如图2.1所示，由于电机定子绕组直接与工频电网相连，因此电机的定子侧电压频率为固定值；而转了绕组通过背靠背变流器并入电网，其变流器的输出电压幅值、频率以及相位皆可调节，正是这点使得双馈电机的控制方式更为灵活。
由于双馈电机类似于交流感应电机，因此可以参考感应电机稳态运行时运行状态及数学方程。
感应电机很重要的特点是定子磁链与转子磁链在空间中相对静止，根据异步感电机的转差率的定义可知：
其中为转子侧电压电流频率，为定子侧电压电流频率。
当感应电机的负载发生变化时，转子的转速和转差率将随之变化，使转子导体中的感应电动势，电流和电磁转矩发生相应的改变。按照转差率的正负以及大小，可以将感应电机的运行方式分为电动状态、发电状态及电磁制动状态。
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3 双馈风力发电系统低电压穿越技术 .......................43-67 
3.1 低电压穿越技术简介 ...............................43-44 
3.2 三相对称跌落故障中双馈电机的传统控制策略 .................44-51 
3.2.1 跌落故障中双馈电机的电磁过渡过程分析 ............44-45 
3.2.2 三相对称跌落故障中双馈电机的动态响应 ..............45-49 
3.2.3 低电压穿越中crowbar电路控制策略 ................49-51 
3.3 三相不对称跌落故障中双馈电机的控制策略 ...................51-57 
3.3.1 三相不对称跌落故障中双馈电机的动态响应............... 51-55 
3.3.2 不对称跌落时的转子侧基本控制策略.................. 55-57 
3.4 系统仿真波形及分析 ..............57-67 
3.4.1 对称跌落故障仿真................... 57-62 
3.4.2 不对称跌落故障仿真 ...................62-67 
4 基于转子侧变流器控制的低电压穿越技术 ..............67-85 
4.1 基于转子侧的定子磁链衰减控制策略........... 67-71 
4.1.1 定子磁链衰减控制原理分析 ..............67-69 
4.1.2 定子磁链衰减控制的实现...................... 69-71 
4.2 基于磁链追踪的双馈电机低电压穿越策略 ............71-75 
4.2.1 基于磁链追踪的低电压穿越控制原理分析............ 71-72 
4.2.2 基于磁链追踪的低电压穿越控制的实现............... 72-75 
4.3 低电压穿越中的无功补偿控制 ..........................75-78 
4.3.1 电机侧变流器无功电流控制...........................75-76 
4.3.2 电网侧变流器无功电流控制........................76-77 
4.3.3 低电压穿越中无功电流比例的调节.................. 77-78 
4.4 系统仿真波形及分析.................... 78-85 
4.4.1 转子侧控制的定子磁链衰减仿真....................... 78-80 
4.4.2 基于磁链追踪的低电压穿越控制仿真 ...................80-82 
4.4.3 低电压穿越中的无功电流补偿控制仿真.................. 82-85 

5 电网侧变流器的低电压穿越控制策略

前文中重点介绍了双馈风力发电系统中电机侧转子侧变流器的控制，本章中将分析网侧变流器应对电网故障尤其是低电压故障中的控制策略。通过第二章中对网侧变流器器的分析可以了解到其本质上为PWM整流器，而对于一般而言的PWM整流器，其滤波原件为单L型滤波器。而随着电网电压的可靠性与电能质量在日趋复杂的电网中越来越受到重视，尤其是在谐波较重或负载对电压的需求较为敏感时，对电网中谐波的抑制显的更加的重要。随着电力电子技术的发展，由高频开关引起的高频谐波对电网中的滤波器提出了更高的要求。由于单L型滤波对高频的消除作用有限，一种新型的LCL型滤波器得到了越来越多的关注。LCL滤波器拥有更高的高频响应特性，能够更好的滤除由于高频开关引起的高频谐波，同时允许用较低的开关频率达到更高的谐波要求，并且拥有更好的减少电磁干扰的效果 H0"43]。
通过第二章的分析可以得知电网电压的前馈可以很好的应对电网跌落故障甚至于网压畸变所带来的影响，可是对于LCL型变流器来说简单的网压前馈不能得到很好的控制效果，因此分析一种新型的前馈控制来应对电网故障是十分必要的，同时由于LCL滤波器属于高阶系统，其控制策略需要重新设计来适应电网的诸多’要求。
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结论

双馈风力发电系统的研究是现如今风力发电研究中的一个重要的组成部分，本文以1.5MW双馈风力发电系统为研究对象，重点对电机在低电压故障下的控制策略进行了理论分析以及仿真验证，验证了文章中提到的几种低电压穿越控制策略的可行性。现将论文中的具体工作总结如下：
1、分析了双馈风力发电系统的工作原理，对电网电压正常下的双馈电机进行了数学建模分析，通过得到的数学模型推倒出了双馈电机的定子磁链定向的矢量控制策略。同时分析了发电系统中网侧变流器的工作原理以及数学模型，并介绍了电网电压定向的电压电流双闭环矢量控制策略。
2、对电机在电网电压跌落情况下的电流电压及磁链方程进行了数学推导，从理论上分析了电机在跌落故障下的过压过流的原因。并介绍了基本的电机不平衡控制策略与传统的crowbar电路低电压穿越控制策略，分析了 crowbar电阻的选取方式与crowbar电路控制的不足。
3、通过分析电压跌落过程中的电磁过渡过程与电机数学模型f文章中研究了两种应用转子侧变流器控制的低电压穿越控制策略。一个为加速零序磁链衰减的定子磁链衰减技术，另一个为减小转子侧过流的定子磁链追踪技术。这一类控制中均没有触发外部的硬件电路，仅仅是通过添加额外的变流器控制从而提升了双—馈电机在应对电网跌落故障中的可靠性。
4、针对现如今应用更为普遍的LCL滤波器型并网逆变器，文章重点对抑制电感电容谐振的有源阻尼控制以及消除电网电压干扰的前馈控制策略进行了分析，改善了变流器的性能，使其在面对电网电压故障时的可靠性进一步增强。
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本文编号：10280