直驅(qū)型風(fēng)電機組的并網(wǎng)換流系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、在全球能源危機和環(huán)境問題日益嚴重的背景下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到了世界各國的高度重視，在近些年得到了快速的發(fā)展。在目前兩種主流的風(fēng)力發(fā)電機組中，直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組由于具有機械損耗小、運行效率高、無需齒輪箱、維護成本低和可靠性高等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)電機組的主要發(fā)展方向之一。隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)電機組容量不斷增加，電網(wǎng)與風(fēng)電機組之間的相互影響程度也越來越大，深入研究直驅(qū)型風(fēng)電機組并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制策略具有重要的現(xiàn)實意義和價值。

2、　　在直驅(qū)型風(fēng)電機組并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制問題中，本文主要研究直驅(qū)風(fēng)機PWM換流器的非線性控制方法以及在電網(wǎng)非正常運行情況下直驅(qū)風(fēng)機并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制策略。由于PWM電壓源型換流器屬于非線性多輸入多輸出系統(tǒng)，常規(guī)雙閉環(huán)PI矢量控制方法存在功率解耦不足、動態(tài)響應(yīng)特性差及對模型依賴性強等問題，難以取得滿意的控制效果。而在電網(wǎng)出現(xiàn)故障等非正常運行條件下，從電網(wǎng)安全運行的角度出發(fā)，風(fēng)電機組需要具備一定的低電壓故障穿越能力和抗擾動能力，而直驅(qū)風(fēng)機的常

3、規(guī)控制是基于電網(wǎng)正常運行情況設(shè)計的，需要研究適應(yīng)電網(wǎng)復(fù)雜運行條件的優(yōu)化控制方法。綜上，本文以直驅(qū)型風(fēng)電機組的并網(wǎng)換流系統(tǒng)作為研究對象，對并網(wǎng)系統(tǒng)中換流器的非線性控制方法以及在電網(wǎng)電壓跌落和不對稱故障情況下的控制策略進行研究。
　　建立完整的直驅(qū)型風(fēng)電機組數(shù)學(xué)模型是研究并網(wǎng)換流系統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)，為此，本文詳細建立了直驅(qū)型風(fēng)電機組的空氣動力學(xué)模型、機械傳動機構(gòu)的軸系模型、槳距角控制系統(tǒng)模型、永磁同步發(fā)電機模型和雙端背靠背換流系統(tǒng)模型

4、，并采用矢量控制和前饋補償控制研究了發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)換流器的常規(guī)PI控制策略，仿真結(jié)果表明通過所建立的常規(guī)控制系統(tǒng)夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)功率追蹤和直流電壓恒定等基本控制目標。
　　針對直驅(qū)風(fēng)機換流系統(tǒng)的非線性控制問題，本文首先基于微分平坦理論進行了研究。根據(jù)微分平坦理論的基本概念，結(jié)合直驅(qū)風(fēng)機雙端換流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對換流系統(tǒng)的平坦性進行了驗證，并據(jù)此設(shè)計了機側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的微分平坦控制策略。在此基礎(chǔ)上，本文對網(wǎng)側(cè)微分平坦控制的誤差反饋補償

5、環(huán)節(jié)進行了控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改進了基于PI控制的常規(guī)方法。此外，通過與自抗擾控制相結(jié)合，提出了外環(huán)采用自抗擾控制、內(nèi)環(huán)采用微分平坦控制的網(wǎng)側(cè)換流器復(fù)合非線性控制策略，增強直驅(qū)風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動能力。
　　在直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)換流器的非線性控制方面，本文還以反推設(shè)計法為基礎(chǔ)進行了相關(guān)研究。一方面，本文采用擴張狀態(tài)觀測器對直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的總擾動量進行估計，并將擾動量引入到換流器反推控制律的推導(dǎo)過程中，提出了網(wǎng)側(cè)基于擴張狀態(tài)觀測器的反推控制

6、策略，通過對系統(tǒng)的總擾動進行補償控制，改善外部擾動時直驅(qū)風(fēng)機的并網(wǎng)動態(tài)特性;另一方面，本文將滑?？刂品椒ê头赐品ㄟM行結(jié)合，并考慮到常規(guī)滑?？刂拼嬖诘母哳l抖振問題，運用非奇異終端滑?？刂品椒ǎ岢隽私Y(jié)合反推控制和終端滑?？刂频木W(wǎng)側(cè)換流器復(fù)合控制策略，并基于Lyapunov穩(wěn)定理論對復(fù)合控制下直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性進行了驗證。
　　為了研究直驅(qū)型風(fēng)電機組在電網(wǎng)故障造成電壓跌落期間的低電壓穿越控制策略，本文闡釋了風(fēng)電機組低電壓穿越

7、的基本概念和直驅(qū)型風(fēng)電機組實現(xiàn)低電壓穿越的基本原理，提出了機側(cè)分段式轉(zhuǎn)速控制和網(wǎng)側(cè)多模式功率控制相結(jié)合的直驅(qū)風(fēng)機雙端換流系統(tǒng)聯(lián)合控制策略。通過對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)限制發(fā)電機輸出的有功，使機側(cè)有功主動追蹤網(wǎng)側(cè)有功的變化趨勢，而網(wǎng)側(cè)換流器則通過對有功、無功的重新分配起到低電壓期間對電網(wǎng)的無功支撐作用。仿真結(jié)果表明，采用所提控制策略能夠有效提高直驅(qū)型風(fēng)電機組的低電壓穿越能力和對電網(wǎng)的無功支撐能力。
　　針對電網(wǎng)不對稱故障條件下直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)有功、

8、無功功率和直流電壓出現(xiàn)二倍頻振蕩以及直流母線過電壓的問題，常規(guī)的故障穿越控制策略無法同時實現(xiàn)多方面的控制目標，需基于不同控制目標分別計算控制參考值，本文提出了兩種主控制器和附加控制環(huán)節(jié)相結(jié)合的綜合控制方法。在主控制器中，分別基于Lyapunov漸近穩(wěn)定理論和前饋電流控制方法設(shè)計了直流電壓優(yōu)化反饋補償控制環(huán)節(jié)和反映直流母線兩端有功不平衡的前饋控制信號，并與微分平坦控制相結(jié)合，構(gòu)成了兩種網(wǎng)側(cè)換流器的主控制部分;在附加控制方面，基于同步旋轉(zhuǎn)坐

9、標系下的直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型分析了電網(wǎng)不對稱故障情況下網(wǎng)側(cè)的功率特性，推導(dǎo)了正序旋轉(zhuǎn)坐標系中正序分量和負序旋轉(zhuǎn)坐標系中負序分量之間的變換方法，根據(jù)該變換方法和以負序二次分量表示的直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)二倍頻電壓方程推導(dǎo)了基于有功和無功二次諧波分量的控制方程，并采用準比例諧振控制器設(shè)計了兩種能夠同時抑制有功和無功二倍頻振蕩的諧波補償附加控制環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果表明，通過所提的不對稱故障穿越控制策略能夠同時抑制直驅(qū)風(fēng)機網(wǎng)側(cè)有功、無功和直流電壓的二倍頻脈動，