离网型双馈风力发电系统控制策略研究

【摘要】：随着全球能源短缺以及传统能源发电带来的环境问题日益突出,风力发电因其较成熟的开发技术以及商业化潜能得到快速的发展,其中,交流励磁双馈发电机已成为风电系统的主流。目前,并网型双馈风力发电系统的技术研究己基本成熟,但其无法解决电网无法覆盖地区的供电问题。离网型风力发电系统在脱离大电网支撑的情况下可以单独运行,且满足周边偏远地区的供电需求,对改善环境、缓解电力供应紧张状况等有着重要意义。本文以离网型双馈风力发电系统为研究对象,详细研究离网型风力发电中的不平衡负载、非线性负载以及储能控制等问题,并在此基础上,就离网型双馈风力发电机的并联运行提出了有效的控制方案。论文的研究内容可概括如下：(1)在建立了离网型双馈风力发电机数学模型的基础上,给出了不同发电模式下双馈风力发电机的功率传输特性；基于双PWM变换器中间直流电容的解耦作用,提出了平衡负载下定、转子侧变换器的矢量控制策略及离网型双馈风力发电系统的控制方案。仿真和实验结果验证了所提策略的有效性。(2)针对不平衡负载对离网型双馈风力发电系统定子侧有、无功功率和电磁转矩产生二倍频率波动的问题,提出了一种定、转子侧变换器的解耦控制策略,分别对定子侧变换器采用基于三相四桥臂变换器拓扑的矢量控制策略来补偿不平衡定子电流,为负载的零序、负序电流提供物理通道以消除电磁转矩的脉动影响；为保证负载获得期望的供电电压,对转子侧变换器采用直接定子电压控制方案,设计了一种扩张状态观测器以实时估计转子电流环的扰动,改善了系统的动态响应及鲁棒性。仿真和实验结果验证了所提出策略的可行性和有效性。(3)针对非线性负载给离网型双馈风力发电系统产生输出电压谐波的问题,提出了一种通过控制转子侧变换器使双馈系统具备有源滤波器功能的策略,抑制输出电压谐波。针对该方法在抑制输出电压谐波的同时带来了定子电流谐波增加的问题,提出了一种改进控制策略,利用转子侧变换器控制定子侧提供正弦电压的同时,抑制输出电压谐波及定子侧谐波电流的增加。仿真结果验证了所提出控制策略的可行性和有效性。(4)针对风能因随机性、间歇性所带来的输出功率波动、输出电压闪变等问题,提出了一种储能元件接入中间直流环节的双馈风力发电系统可行拓扑结构,提出了定子侧变换器控制定子电压、转子侧变换器控制最大风能追踪以及定子侧变换器控制中间直流电压、转子侧变换器控制定子电压而储能变换器实现最大风能追踪的两种新型控制策略。仿真和实验结果证明了所提出策略的正确性和有效性。(5)为弥补单台发电机在负载多、电量需求大时无法满足供电需求的局限性,提出了一种基于下垂控制的无通讯功率均分策略以实现多台双馈电机的稳定并联运行。在建立了正常和负荷切换情况下两台双馈风力发电机并联运行简易模型的基础上,提出了定、转子侧变换器的控制策略,以获得平衡的三相定子电压和稳定的中间直流电压。仿真结果证明了所采用控制策略的有效性和可行性。
【作者】郭旭东；
【导师】申群太；
【作者基本信息】中南大学，控制科学与工程，2013，博士
【关键词】离网型风力发电；双馈感应电机；不平衡；非线性；储能控制；下垂控制；

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