基于双馈式风力发电系统的直流并网拓扑与控制策略研究

发布时间：2017-08-18 09:54

  本文关键词：基于双馈式风力发电系统的直流并网拓扑与控制策略研究

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【摘要】：随着风电场规模的不断扩大及输电距离的不断上升,高压直流输电方式成为风电场远距离输电的首选形式。基于双馈感应电机(Doubly-fed Induction Generator, DFIG)的风电机组由于功率可控性强、变流器容量低等优点,成为风力发电领域的主流机型,因此其直流并网系统也得到了广泛的关注。传统的DFIG直流并网系统不改变风机原有的接线方式和控制策略,虽然实现简便,却存在系统结构复杂、能量传递效率低、风机运行可靠性差等缺点。而在控制策略方面,传统的DFIG风电机组并网控制研究多依托交流大电网的存在,并不能满足风电机组在直流输电系统中的运行需要。本文以此为背景,研究了一种基于DFIG风电机组的新型直流并网拓扑及相应的控制策略,并从理论分析、系统建模、仿真验证和实验验证多个方面展开研究。 首先,本文介绍了基于DFIG风电机组的新型直流并网拓扑结构,并将其与传统的拓扑结构进行对比。改进的直流并网结构直接利用DFIG的定子侧变流器(Stator Side Converter, SSC)和转子侧变流器(Rtator Side Converter, RSC)向直流母线输送电能,与传统结构相比具有系统结构简单、体积小、成本少、能量传递效率高等优点。同时,该拓扑下DFIG的定子频率可以灵活改变,从而能够实现风机全速范围内的发电和定转子功率分配两种优化的运行模式。 随后,通过对新型拓扑下的DFIG进行建模分析,在气隙磁链定向的基础上,研究了一种基于功率-电流双闭环控制的变流器控制策略,该控制策略中RSC用于确保DFIG生成稳定的三相正弦气隙电势,SSC用于实现风机有功、无功功率的解耦。通过Matlab/Simulink仿真分析及1.6kW样机实验,验证了不同工况和运行模式下该控制算法的有效性。 其次,针对上述控制策略控制层次多且算法集成度低的不足,研究了一种改进的基于转矩指令的SSC和RSC协同控制策略。该算法直接通过DFIG的气隙磁链和电磁转矩的指令计算DFIG电流参考值,采用电流单闭环控制结构,具有更好的稳态性能和动态响应速度,并且能使DFIG更加灵活的工作在全速范围发电和定转子功率分配两种运行模式下。通过Matlab/Simulink仿真分析及1.6kW样机实验,验证了该控制算法的有效性。 最后,研究了一种基于精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter, RMC)的DFIG直流并网系统结构及控制方法。该拓扑使用电压源型RMC换流器代替上述新型直流并网系统所用的普通两电平VSC换流器,采用双极性电压空间矢量调制策略实现系统的稳定控制。改进后的拓扑在重量和体积上都实现了高度的集成化和精简化,极大的降低了系统的成本。最后,利用Matlab/Simulink平台建立仿真模型,验证了上述拓扑的可行性。
【关键词】：双馈式异步风力发电机 高压直流输电 气隙磁链定向 精简矩阵变换器 全速范围发电 功率分配运行
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 致谢4-6
• 前言6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 目录11-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 研究背景13
• 1.2 风力发电技术概述13-19
• 1.2.1 风资源概述13-14
• 1.2.2 风力发电技术现状14-16
• 1.1.3 风力发电系统的分类16-18
• 1.1.4 传统风力并网模式的困境18-19
• 1.3 高压直流输电技术(HVDC)19-21
• 1.3.1 传统HVDC技术概述19-20
• 1.3.2 VSC-HVDC技术20-21
• 1.4 DFIG直流并网系统研究现状21-22
• 1.5 大功率高变比DC/DC变换器的应用22-24
• 1.6 论文研究内容及章节安排24-25
• 参考文献25-31
• 第二章 面向直流输电的DFIG改进并网拓扑及建模分析31-59
• 2.0 引言31
• 2.1 改进拓扑简介31-34
• 2.2 DFIG最大风能跟踪控制34-37
• 2.2.1 DFIG风力发电系统的运行区域34-36
• 2.2.2 DFIG风力发电系统最大风能跟踪36-37
• 2.3 DFIG气隙磁链定向及基于功率-电流双闭环控制策略37-46
• 2.3.1 DFIG控制策略概述37-38
• 2.3.2 RSC建模分析38-42
• 2.3.3 SSC建模分析42-44
• 2.3.4 全速范围DFIG控制策略44-46
• 2.4 仿真结果46-51
• 2.5 实验结果51-57
• 2.6 本章小结57-58
• 参考文献58-59
• 第三章 基于转矩指令的SSC和RSC协同控制策略59-77
• 3.1 引言59
• 3.2 DFIG建模分析59-65
• 3.2.1 DFIG数学模型及电流给定计算59-61
• 3.2.2 RSC控制方法61-62
• 3.2.3 SSC控制方法62-63
• 3.2.4 定转子功率分配模式63-65
• 3.3 仿真结果65-71
• 3.4 实验结果71-76
• 3.5 本章小结76-77
• 第四章 基于精简矩阵变换器的DFIG直流输电系统77-95
• 4.1 引言77-78
• 4.2 RMC换流器及其双极性调制策略78-83
• 4.2.1 RMC换流器拓扑结构78-80
• 4.2.2 电压源型RMC换流器的双极性空间矢量控制策略80-83
• 4.3 基于RMC换流器的DFIG直流并网拓扑及控制策略83-86
• 4.3.1 并网拓扑概述83
• 4.3.2 基于功率-电流双闭环的控制算法应用83-85
• 4.3.3 基于转矩指令的SSC和RSC协同控制策略应用85-86
• 4.4 仿真结果86-92
• 4.4.1 基于功率-电流双闭环控制策略的仿真结果88-90
• 4.4.2 基于转矩指令的SSC和RSC协同控制策略的仿真结果90-92
• 4.5 本章小结92
• 参考文献92-95
• 第五章 总结与展望95-99
• 5.1 本文研究工作总结95-96
• 5.2 后续工作展望96-99
• 攻读硕士学位期间发表文章99

【参考文献】

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本文编号：693917