發(fā)布時(shí)間：2014-12-15 10:01

【摘要】 隨著我國風(fēng)力產(chǎn)業(yè)近年來迅猛發(fā)展,國網(wǎng)公司對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)要求尤其是對(duì)風(fēng)機(jī)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更加明確的規(guī)定。本文重點(diǎn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及低電壓穿越控制進(jìn)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(chǔ)上研究了基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越策略,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文分析了采用背靠背變流器的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理,以及正常電網(wǎng)電壓下的雙饋電機(jī)在三相坐標(biāo)系以及兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上介紹了經(jīng)典的定子磁鏈定向的電機(jī)矢量控制策略,同時(shí)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型以及電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制進(jìn)行了研究。本文重點(diǎn)分析了電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障后的電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,從數(shù)學(xué)的角度上分析了電機(jī)的暫態(tài)過程,以及零序與負(fù)序分量所造成的危害及影響。并對(duì)在對(duì)稱跌落下傳統(tǒng)的crowbar控制策略及在不對(duì)稱跌落下減小負(fù)序危害的電機(jī)不平衡控制進(jìn)行了研究。本文從電機(jī)暫態(tài)數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā),重點(diǎn)分析了應(yīng)用電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)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(zhuǎn)子電流向量的方向?qū)崿F(xiàn)磁鏈的快速衰減,磁鏈追蹤控制可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的抑制,提高了電機(jī)在電網(wǎng)電壓故障下的控制性能。同時(shí)文章中通過對(duì)故障下無功電流極限輸出能力的計(jì)算給出了一種合理的無功電流分配原則。本文還分析了現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的LCL型并網(wǎng)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(wǎng)電壓擾動(dòng)影響的狀態(tài)前饋控制策略,提高了其作為網(wǎng)側(cè)變流器的穩(wěn)定性,使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的背靠背變流器控制技術(shù)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)有著更高的可靠性。作為對(duì)理論分析的驗(yàn)證,本文應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓正常下以及電壓跌落的不同環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究,在雙饋電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上,對(duì)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(jìn)行了仿真分析。針對(duì)crowbar控制策略存在的問題重點(diǎn)對(duì)基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越策略進(jìn)行了仿真研究,最后對(duì)LCL型的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了電網(wǎng)故障下的仿真研究。 

1引言

1.1課題背景
1.1.1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電背景
上個(gè)世紀(jì)70年代以來，由于石油煤炭等等化石能源危機(jī)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(diǎn)話題，可再生能源的逐步開發(fā)利用也日益成為了科學(xué)界中的重點(diǎn)研究對(duì)象。在進(jìn)入21世紀(jì)以后，能源的安全與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，許多國家將開發(fā)利用新能源技術(shù)作為其能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，同時(shí)將其作為緩解能源危機(jī)、減少二氧化碳等溫室氣體排放以及應(yīng)對(duì)全球變暖等等氣候變換問題的重要措施，各個(gè)國家紛紛出臺(tái)相關(guān)目標(biāo)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(gè)發(fā)達(dá)國家以及100多個(gè)發(fā)展中國家設(shè)立了全國性質(zhì)的可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)出臺(tái)了相關(guān)法律法規(guī)以及相關(guān)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(dá)到20%，2050年后要求達(dá)到50%。
可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约俺鄙衬�，該產(chǎn)業(yè)在近年來發(fā)展十分迅速，成為了一種新型能源產(chǎn)業(yè)，具有十分廣闊的前景。在可再生能源中，風(fēng)能是一個(gè)非常巨大的資源，風(fēng)能的安全、清潔、充裕等等特點(diǎn)能提供源源不斷并且穩(wěn)定的能源供應(yīng)。很多調(diào)查報(bào)告中指出，全球風(fēng)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(diào)查顯示理論上可以轉(zhuǎn)換為電力的風(fēng)能每年約53萬億kWh，這個(gè)數(shù)字約為2020年全球電力需求的2倍。風(fēng)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(jì)90年代以來全球風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高以及生產(chǎn)規(guī)模的增長，使風(fēng)力發(fā)電成本逐年下降，風(fēng)力發(fā)電為全球能源經(jīng)濟(jì)向以清潔能源為基礎(chǔ)的模式轉(zhuǎn)型提供了一個(gè)良好機(jī)會(huì)。目前石油煤炭等化石能源的價(jià)格的持續(xù)攀升以及各國對(duì)溫室氣體的排放的逐漸控制，進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量持續(xù)增長，正在逐步進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的軌道。在經(jīng)過了多年快速的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電成為了繼火電、水電以及核電之后的另一項(xiàng)主要的發(fā)電電源，牢牢的占據(jù)著其在新能源產(chǎn)業(yè)中的龍頭。數(shù)據(jù)顯示，截止2010年年底，全球風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到199523MW，而其余的新能源產(chǎn)業(yè)如生物發(fā)電約為62000MW,太陽能發(fā)電約為39000MW，地?zé)崮馨l(fā)電約為11000MW⑴。
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1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述
雙饋電機(jī)的概念足大約在20世紀(jì)初期被人提出的，在經(jīng)過了多年的發(fā)展后，雙饋電機(jī)的制造技術(shù)以及控制技術(shù)得到了不斷的提高，同吋應(yīng)丨jj雙饋屯機(jī)的場(chǎng)六也越來越多�，F(xiàn)階段的雙饋屯機(jī)結(jié)構(gòu)分為刷雙饋電機(jī)與無刷雙饋電機(jī)。其屮Y]'刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)匈繞線式異步電機(jī)類似，轉(zhuǎn)T側(cè)繞組經(jīng)過沿環(huán)與碳刷引出，而這些結(jié)構(gòu)的存在使得電機(jī)的運(yùn)行成本坊加，柄加了電機(jī)的維修工作量，因此越來越多的研究將M光轉(zhuǎn)移到了無刷式雙饋電機(jī)。丨I前無刷式雙饋電機(jī)主要軒級(jí)聯(lián)式雙饋電機(jī)191與獨(dú)立式雙饋電機(jī)_兩種結(jié)構(gòu)，由于無刷式感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)漏感相對(duì)較大，因此其在應(yīng)對(duì)故障屮的動(dòng)態(tài)性能相對(duì)平緩，無刷式雙饋電機(jī)得到了越來越多的青陳。不過無刷式雙饋電機(jī)也存在一定程度上的不足，1t先對(duì)于級(jí)聯(lián)式雙饋電機(jī)，山于需要增加一臺(tái)額外的控制電機(jī)，使得電機(jī)的運(yùn)行效率在一定程度上存在損耗，而對(duì)于獨(dú)立式雙饋電機(jī)，其定子的結(jié)構(gòu)存在一蜜繞組與兩蜜繞組兩種形式，如何對(duì)定了側(cè)繞組進(jìn)行合理的布局足需要解決的關(guān)鍵問題。在丨彳前普適應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電I li機(jī)巾所指的雙饋電機(jī)均為打刷型雙饋電機(jī)，下文111提到的“雙饋電機(jī)”在不添加額外說明的情況下，均指的是存刷型雙饋電機(jī)。
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2雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模及控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及主控系統(tǒng)組成。本文主要討論風(fēng)機(jī)巾發(fā)電系統(tǒng)的控制策略�，F(xiàn)如今雙饋風(fēng)機(jī)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(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的電機(jī)側(cè)變流器以及平衡直流電壓同時(shí)并網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)變流器。在現(xiàn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于電機(jī)側(cè)變流器一般與轉(zhuǎn)子側(cè)直接相連，因此電機(jī)側(cè)變流器也稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；由于電網(wǎng)側(cè)變流器直接并網(wǎng)且基本結(jié)構(gòu)為PWM整流器，因此其也被稱為并網(wǎng)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(nèi)容進(jìn)行討論。
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2.1雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電機(jī)本身是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與控制策略與異步繞線感應(yīng)電機(jī)類似，由于雙饋電機(jī)可以由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)雙向饋送能量，因此被稱為“雙饋”電機(jī)。雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)由變流器控制，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，因此雙饋電機(jī)又被稱為交流勵(lì)磁同步電機(jī)。
在風(fēng)機(jī)應(yīng)用背靠背變流器并入電網(wǎng)正常工作時(shí)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，由于電機(jī)定子繞組直接與工頻電網(wǎng)相連，因此電機(jī)的定子側(cè)電壓頻率為固定值；而轉(zhuǎn)了繞組通過背靠背變流器并入電網(wǎng)，其變流器的輸出電壓幅值、頻率以及相位皆可調(diào)節(jié)，正是這點(diǎn)使得雙饋電機(jī)的控制方式更為靈活。
由于雙饋電機(jī)類似于交流感應(yīng)電機(jī)，因此可以參考感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)學(xué)方程。
感應(yīng)電機(jī)很重要的特點(diǎn)是定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈在空間中相對(duì)靜止，根據(jù)異步感電機(jī)的轉(zhuǎn)差率的定義可知：
其中為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流頻率，為定子側(cè)電壓電流頻率。
當(dāng)感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的改變。按照轉(zhuǎn)差率的正負(fù)以及大小，可以將感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行方式分為電動(dòng)狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)及電磁制動(dòng)狀態(tài)。
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3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù) .......................43-67 
3.1 低電壓穿越技術(shù)簡(jiǎn)介 ...............................43-44 
3.2 三相對(duì)稱跌落故障中雙饋電機(jī)的傳統(tǒng)控制策略 .................44-51 
3.2.1 跌落故障中雙饋電機(jī)的電磁過渡過程分析 ............44-45 
3.2.2 三相對(duì)稱跌落故障中雙饋電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) ..............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(duì)稱跌落故障中雙饋電機(jī)的控制策略 ...................51-57 
3.3.1 三相不對(duì)稱跌落故障中雙饋電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)............... 51-55 
3.3.2 不對(duì)稱跌落時(shí)的轉(zhuǎn)子側(cè)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(duì)稱跌落故障仿真................... 57-62 
3.4.2 不對(duì)稱跌落故障仿真 ...................62-67 
4 基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越技術(shù) ..............67-85 
4.1 基于轉(zhuǎn)子側(cè)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(shí)現(xiàn)...................... 69-71 
4.2 基于磁鏈追蹤的雙饋電機(jī)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(shí)現(xiàn)............... 72-75 
4.3 低電壓穿越中的無功補(bǔ)償控制 ..........................75-78 
4.3.1 電機(jī)側(cè)變流器無功電流控制...........................75-76 
4.3.2 電網(wǎng)側(cè)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(diào)節(jié).................. 77-78 
4.4 系統(tǒng)仿真波形及分析.................... 78-85 
4.4.1 轉(zhuǎn)子側(cè)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(bǔ)償控制仿真.................. 82-85 

5 電網(wǎng)側(cè)變流器的低電壓穿越控制策略

前文中重點(diǎn)介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，本章中將分析網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障尤其是低電壓故障中的控制策略。通過第二章中對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器器的分析可以了解到其本質(zhì)上為PWM整流器，而對(duì)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(wǎng)電壓的可靠性與電能質(zhì)量在日趨復(fù)雜的電網(wǎng)中越來越受到重視，尤其是在諧波較重或負(fù)載對(duì)電壓的需求較為敏感時(shí)，對(duì)電網(wǎng)中諧波的抑制顯的更加的重要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由高頻開關(guān)引起的高頻諧波對(duì)電網(wǎng)中的濾波器提出了更高的要求。由于單L型濾波對(duì)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(guān)注。LCL濾波器擁有更高的高頻響應(yīng)特性，能夠更好的濾除由于高頻開關(guān)引起的高頻諧波，同時(shí)允許用較低的開關(guān)頻率達(dá)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(wǎng)電壓的前饋可以很好的應(yīng)對(duì)電網(wǎng)跌落故障甚至于網(wǎng)壓畸變所帶來的影響，可是對(duì)于LCL型變流器來說簡(jiǎn)單的網(wǎng)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(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障是十分必要的，同時(shí)由于LCL濾波器屬于高階系統(tǒng)，其控制策略需要重新設(shè)計(jì)來適應(yīng)電網(wǎng)的諸多’要求。
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結(jié)論

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究是現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電研究中的一個(gè)重要的組成部分，本文以1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)電機(jī)在低電壓故障下的控制策略進(jìn)行了理論分析以及仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了文章中提到的幾種低電壓穿越控制策略的可行性�，F(xiàn)將論文中的具體工作總結(jié)如下：
1、分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，對(duì)電網(wǎng)電壓正常下的雙饋電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析，通過得到的數(shù)學(xué)模型推倒出了雙饋電機(jī)的定子磁鏈定向的矢量控制策略。同時(shí)分析了發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變流器的工作原理以及數(shù)學(xué)模型，并介紹了電網(wǎng)電壓定向的電壓電流雙閉環(huán)矢量控制策略。
2、對(duì)電機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落情況下的電流電壓及磁鏈方程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從理論上分析了電機(jī)在跌落故障下的過壓過流的原因。并介紹了基本的電機(jī)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(jī)數(shù)學(xué)模型f文章中研究了兩種應(yīng)用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越控制策略。一個(gè)為加速零序磁鏈衰減的定子磁鏈衰減技術(shù)，另一個(gè)為減小轉(zhuǎn)子側(cè)過流的定子磁鏈追蹤技術(shù)。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(jī)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)跌落故障中的可靠性。
4、針對(duì)現(xiàn)如今應(yīng)用更為普遍的LCL濾波器型并網(wǎng)逆變器，文章重點(diǎn)對(duì)抑制電感電容諧振的有源阻尼控制以及消除電網(wǎng)電壓干擾的前饋控制策略進(jìn)行了分析，改善了變流器的性能，使其在面對(duì)電網(wǎng)電壓故障時(shí)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。
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本文編號(hào)：10280