電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器運(yùn)行控制.pdf

1、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)電壓跌落故障比較敏感。在故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常會(huì)脫離電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。新的電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須具備低電壓穿越運(yùn)行、電壓不平衡補(bǔ)償和在電網(wǎng)故障時(shí)保持并網(wǎng)運(yùn)行的能力。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙向變換器的控制策略決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性，因此，探討電網(wǎng)故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器的控制策略，對(duì)增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力和電網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償能力具有重要

2、意義。本文結(jié)合電網(wǎng)故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模并網(wǎng)需求，立題對(duì)電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性與控制策略開(kāi)展深入研究。
　　本文提出了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器定頻式模型預(yù)測(cè)控制（MPC），基于網(wǎng)側(cè)變換器的電流預(yù)測(cè)模型，在固定時(shí)間間隔內(nèi)以滿足電流誤差最小為原則計(jì)算電壓矢量作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的準(zhǔn)確跟蹤；針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡造成的三相電流不平衡問(wèn)題，分析了電壓不平衡時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行特性，提出

3、改進(jìn)的參考電流計(jì)算方法以消除三相電流不平衡；圍繞模型預(yù)測(cè)控制方法中模型參數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)不匹配和外界干擾造成控制性能下降，導(dǎo)致功率變換器運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了網(wǎng)側(cè)變換器的定頻式魯棒模型預(yù)測(cè)控制。根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型，剖析了模型不匹配時(shí)MPC算法的運(yùn)行過(guò)程和誤差產(chǎn)生的機(jī)理，分析了六扇區(qū)內(nèi)網(wǎng)側(cè)變換器電壓矢量對(duì)d、q軸電流瞬時(shí)變化的影響；將模型參數(shù)不匹配對(duì)系統(tǒng)造成的影響作為擾動(dòng)量，采用Luenberger觀測(cè)器通過(guò)前饋補(bǔ)償

4、消除系統(tǒng)擾動(dòng)，利用根軌跡法確定了觀測(cè)器的增益參數(shù)，并分析預(yù)測(cè)模型中電感參數(shù)變化對(duì)觀測(cè)器穩(wěn)定性的影響；仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提擾動(dòng)觀測(cè)預(yù)測(cè)控制算法在模型準(zhǔn)確和模型參數(shù)不匹配條件下的控制性能。
　　同時(shí)，本文開(kāi)展了電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器運(yùn)行控制的研究。針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡引起的網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)諧波增加、交流側(cè)有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)等問(wèn)題，采用對(duì)稱(chēng)分量法分析了不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器輸入電流和交流側(cè)功

5、率的穩(wěn)態(tài)特性；將電壓不平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，提出了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中不平衡電網(wǎng)電壓下網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)不平衡控制方案結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、運(yùn)算量大、有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)不能同時(shí)抑制等問(wèn)題，提出了功率諧振補(bǔ)償控制策略。該策略在電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法中增加功率脈動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)對(duì)瞬時(shí)有功、無(wú)功功率波動(dòng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了控制策略的有效性。
　　分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)電壓下定、轉(zhuǎn)子電流和定子

6、有功、無(wú)功功率脈動(dòng)以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的特性，提出了定、轉(zhuǎn)子電流，有功、無(wú)功功率和電磁轉(zhuǎn)矩的二倍頻分量控制表達(dá)式；以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出了電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多目標(biāo)補(bǔ)償控制策略，通過(guò)在傳統(tǒng)有功、無(wú)功功率解耦矢量控制的兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)后分別加入電壓補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)，對(duì)不同的控制目標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償控制；提出了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多目標(biāo)切換補(bǔ)償控制策略，推導(dǎo)了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)變量二倍頻分量的關(guān)系，將控制量歸化到統(tǒng)一等級(jí)，采用同一補(bǔ)償環(huán)對(duì)不同的控制目

7、標(biāo)進(jìn)行切換補(bǔ)償控制；仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略在增強(qiáng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制能力和提高風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)不脫網(wǎng)運(yùn)行能力的有效性。
　　此外，本文探討了電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)跌落瞬間雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)特性，分析了轉(zhuǎn)子電壓等級(jí)與雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越運(yùn)行區(qū)間的關(guān)系并討論控制系統(tǒng)的魯棒性及控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響；為增強(qiáng)電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越運(yùn)行能力，提出了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器比例諧振控