双馈异步风力发电机在电网电压不对称故障条件下运行研究

双馈异步风力发电机在电网电压不对称故障条件下运行研究 双馈异步风力发电机在电网电压不对称故障条件下运 行研究 浙江大学电气工程学院 硕士学位论文 双馈异步风力发电机在电网电压不对称故障条件下的运行研究 姓名:王宏胜 申请学位级别:硕士 专业:电机与电器 指导教师:章玮 20100101摘 要 随着环境危机的日益严重,以风电为主的可再生能源已成为现代社会发展的需求. 而能源危机又迫使着风力发电机组的装机容量不断增大,然而随着风电系统装机容量的增 大,它对电网的影响也日趋显著。因此,电力系统对风力发电系统的运行提出了苛刻的要 求,即风力发电系统发出的电能质量必须良好,并且必须具有低电压故障穿越 能力。因此,本文在电网电压不对称跌落的故障条件下,对变速恒频双馈异步风力 发电机励磁用背靠背式双变换器的基础理论及控制策略进行了从理论到仿 真,从仿真到实验的全方位深入研究. 本文首先对采用传统控制策略的用背靠背式双变换器在电网电压不对 称故障跌落条件下的运行性能进行了研究与实验验证,并针对其所存在的问题进行了深入 的讨论,介绍了解决此问题的方法与思路,并分网侧变换器与转子侧变换器两部分分别进 行深入研究。 在电网电压不对称跌落故障条件下,研究了网侧变换器分别在电网角速度正、反向 同步旋转啦坐标系下的数学模型,给出了瞬时功率模型,并介绍了提高网侧变换器故障 穿越运行能力的三种控制目标,研究了双砌、电网电流控制器,即对正转由 坐标系下的电流正序分量和反转由坐标系下的电流负序分量分别进行控制的电流控制 器。采用此控制策略可分别实现网侧变换器的三种控制目标,然而,由于其在电流内环存 在着正、负序分解环节,此环节所采用的陷波器必将给电流控制内环带来延时,从而造成 系统动态性能下降。针对此缺点,本文介绍了一种在静止邸坐标系下实现正、负序电流 控制的比例谐振电流控制器,采用此电流控制器,无需对电流进行正、负序分 解, 因此在电流内环无此环节带来的延时,从而动态性能得到了改善。并先后通过仿真和实验 对所介绍两种控制策略进行了对比论证,仿真与实验结果证明了所作理论研究与分析的正 确性和有效性。 针对于转子侧交换器,在电网电压不对称故障条件下,由于定子电压、电流,转子 电流均存在着负序分量,因此传统的电流控制器无法实现转子电流正、负序分量的分 别控制,因此控制性能差。针对此问题,本文首先介绍了正、反转同步由坐标系下的 数学模型,并讨论了提高转子侧变换器故障穿越运行能力的四种控制目标,研究了双由、 转子电流控制器,与网侧变换器相同,由于双由、转子电流控制器需同时在正、反 转同步坐标系下对转子电流进行正、负序分解,因此,转子侧变换器系统的动态性能将受 影响,从而造成转子侧变换器的故障穿越能力下降。因此,本文在转子侧变换器也介绍了 一种在定子静止筇坐标系下实现转子电流无差控制的控制器。最后,通过实验结果 的对比论证,首先证明了两种控制策略均能分别实现四种控制目标,满足电 网电压不对称 故障条件下的运行要求,随后表明了转子电流控制器具有比双由、转子电流 控制器 更好的动态性能。 最后本文通过对一台样机系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研制,进一步验证了所研究的网侧交 换器与转子侧变换器的控制策略具有协调兼容性,满足了系统的故障穿越运 行要求.并以 实验的角度验证了本文所研究理论的正确性. 关键字: 风力发电,双馈异步风力发电机,电网电压不对称跌落故障,网侧变 换器,转子侧变换器,双由、调节器,比例谐振调节器 , . , . .. . ., ? ?.. 。., . ‰ . ? ,. .矿,. , . ..筇.., . 鲥 .. . . , . , . . , : , ,前 言 本文受国家高技术研究发展计划计划资助 项目编号: . ?图表目录 留.垆厨祷残用功雾癣复分希西配?. 图.全功率变换器有齿轮镇变速恒频异步风力发电系统? 图.全功率变换器无齿轮籀变速恒频异步风力发电系统.. 图.采用取馈异步发电视的交漉励磁变速恒频风力发电系统?.. 图.双馈异步风力发毫系统的交流劢磁主电路?。 图.网俄变换器控翩系统示意图?.. 图.基子的嘲侧变换器直流母线电压、宅漉双闭环控制原理框图? 图. 轴定子电压定向矢量圈图.基于?控翻的转子电流朗环控翩框图. 留.学历翳鬯力莠纺撰翌矽., 图.电网电压跌落故障类型图?.. 图,两俩变换器在电网不对称故障条件下的运行结果不平筏度为%.向电网发 出有功功 摹??., 圈.转子侧变换器在电网不对称故障条件下酶运行结果 圈.并网逆变器主电路??。 图静止坐标系下并网逆变器等效电路? 圈。回步旋转坐标系下并网逆变器等效电路图.电融电压不对称故障下的并 网逆变器双、电流控铂器孤理框图?. 厨. 费勃织方搓图.陷波器波特图? 眉甲. 擎蕊型,夯譬缬可豸争本争:翟研? 盈甲. 诃舌%器甓窖岳毵?碾.. 留. 鳜癌沉污饩虢麴懈一』 图.伯谐振器连续传递函数与离散传递函数的波特图?.. 图.电网电压不对称故障下的并霹逆变器电流控翩器啜理框图? 留.刀铡受谫毒蔓主辔路?.鲥 图.采用电压调节器.取、电流调节器的网侧整流器控翻框图?.. 图.采用双、调节器的并礴逆变器系统稳态仿真波形? 图.采用电流调节器的并鼹逆变器系统稳态仿真波形?.. 图.采用双、调节器的并鼹逆变器系统动态仿真波形? .昏.”采再电流调节器的并礴逆变器系统动态仿真波形?.. .圈.采用电区调节器、双、电流调节器的鼹侧整漉器系统仿真波形??.. 童矽.耐疆柔觋名姻??. 图.采用双如、融电流调节器的并网逆变器输出有功功率时的实验波形?.. 图.采用双翅、电流调节器的并网逆变器吸收无功功率时的实验波形? 图.采甬双、电流调节器的劳网逆变器输出香功功率时的实验波形?. 图.采甬双蛔、电流调节器的并嘲逆变器吸收无功功率时的实验波形? .固采用双吣、翻电流调节器的并网逆变器输出袁功功率’蹦时的实验波形?. .图。采甬双./电流调节器的并网逆变器吸收无功功率时的实验波形? 图 采甬电流调节器的并网逆变器输出有功功率时的实验波形? 图勰采甬电流调节器的并髓逆变器吸收无功功率时的实验波形?辱 .图采用电流调书器的并网逆变器输出煮功功率时的实验波形? .图麓采用电流调节器的并网逆变器吸收无功功率时的实验波形? .图.?采用电流调节器的并网逆变器输出有功功率气时的实验波形? .图采用电流调节器的并阚逆交器吸收无功功率时的实验波形? 图.采甬双、电流调节器的并网逆变器输出有功功率由零阶跃至时的实验波 形.? .图筑采用电流调韦器的并网逆变器输出有功功率由零阶跃至时的实验波 形??. 图.网侧整滚器试验系统结构图??.. 图,采用/电医调节器、双曲、电流调节器的网俩整流器稳态实验波形??.. 图.采用电匿调节器、双如、电流调苇器的网嬲整流器动态实验波形控翩目 ,?.. 图.芷向同步旋转坐标系等效电路??。 图.反匈同步旋转坐标系芦/等效电路, 圈.电网电压不对称故障条件采用双、电流调节器的控翩框图图增鹱鲁型 尸. .岸纫绍狗绷?~加 图.定子静止坐标系下等效电路??.. 童矽 得移器趱饬蹭? 盖可.孝兹驺掰猢巍毙簪缨??力 图.谐振器连续传递函数与离散传递函数的波特图.图.电网电压不对稔故障 的转子锄变换器控翩系统原理框图 缨.,实爱莠绕络羯印簦缗?. 图,采用双、电流调节器的转子侧变换器稳态试验汲形 图.采用双曲、电流调节器的转子侧变换器稳态试验波形 图.采甬双姐、/电流调节器的转子钠变换器试验波形图.采甬双、电流调节 器的转子侧变换器试验波形图.采国双、宅流调节器的转子翻变换器试验波形 图.’采甬电流调节器的转子钢变换器动态试验波形??.. 图.完整的背靠背式双变换器交流励磁变速恒频风力发电系统框图?. 。撵机控蒂系统实物图? 固.网铡变换器硬俘结构框国重酽.鲁刀鬯压‘劳号旃埋与自盖跨 圈.直流偏置基准电压产生电路? 售酽.直流鳗鳍宣压旖理曹眉雾....?:?如 图. 输出劈号堀器蝴乳??..如 围.劈?缆芟嫠器缓缪缮膨蕉鳃一 图,硬件系统的硬件保护力寨示意图?..? 图.传统控翩算法圭程序流程圈图昏 传统控钠算法中断程亭流程萤? 图.双、电流调节嚣控翩算法中断程序流程圈.. 图。 电流调节器控翻算法中颧程守流程酉 名酽.传绕撵锄算弦主痊序谠鹜绥 ?图.借纺控砌舅瑾圭乒筋旌待锄勰? 豳.双、转:电流节器控翩算法中断程彦流程巨. 图. 电流节器控翩算法中断程序流程图??.. 豳. 系统发出有功功率蹦吸收无功功率时的稳态实验波形??, 图. 昭系统发出有功功率煳.无功功率由发出.盼跃至吸收时的动态实 鬓觌?:穆. 图.在电秘电压%不对称故障条件下.系统发出有功功率。吸收无功功率 争况乔穆稳恭荬爱兹形??.. 国.在电嘲电压%不对称故障条件系统保持吸收无功功率情况 系统发出有功功率由阶跃至时的动态实验波形?浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得滥姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:三苏恿芝 签字日期:砂,。年;月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿叁堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 、 导师签名 学位论文作者签名:?巍控 签字日期:一 日 签字日期:础年;月夕日 口年;月歹致 谢 值此论文脱稿之际,再次向我的恩师章玮副教授表示最衷心的感谢。在治学上,恩 师知识渊博,对学生认真负责,对科研一丝不苟;在生活上,恩师和蔼可亲,对学生循循 善诱,无微不至。自本科大三选章玮老师作导师以来,章玮老师一直给予我巨大的帮助, 提供最好的学习材料,最好的实验设备。使我在本科期间就得到了很好的科研训练,并非 常荣幸的获得了优秀毕业设计的荣誉,为我硕士阶段的科研打下了坚实的基础。同时,非 常感谢姚维副教授一直以来对我的帮助与关心.祝章玮老师全家幸福美满,祝“哈哈”健 康快乐成长。 在攻读硕士学位期间,也有幸得到了贺益康教授的指导,祝贺老师生活美满,阖家 幸福.同时,感谢孙丹副教授和年珩副教授在科研及生活上的帮助,拓宽了我的知识面, 感谢潘再平教授、孟小莲老师和卢慧芬老师在我制作实验样机系统过程中给予的帮助。 非常感谢本课题组已毕业的胡家兵博士,他在科研上给予我很大的帮助,热忱的帮 我解决了许多实验调试上的难题,一直都是我的榜样。感谢已经毕业的“雷哥”黄雷博士, 他的风趣伴我度过了欢乐的实验室第一年。感谢“楼主”李和明、潘剑在紧张科研的闲暇 时光带来的欢乐。也感谢已毕业的郭晓明博士及在国外读博的陈东给予的帮助。感谢在读 硕士“电脑高手”王波,赵静,感谢“刘姥姥”刘姣师妹、 “铁花”尚磊师弟以及“不是 很闷”的肖建民师弟一同度过了许多欢乐的时光,感谢另一“电脑高手”曾 嵘师弟,感谢 “小黑皮”任远师弟,作为实验室的新任管家积极组织了各种丰富多彩的活动,感谢“小 白”李嘉文师弟和“连长”徐海亮师弟一同打篮球,感谢“雷人”的全宇师妹、活泼的王 伟颖师妹、“歌后”贺子倩师妹和“无敌的”程艳师妹,你们给实验室带来了很多欢声笑 语。 感谢已毕业的室友张远辉博士,感谢赵斌财、沈磊、郑晓、史济全、易峰、郑晟、 杨鑫祚等同窗好友,你们让我学到了许多课本上学不到的东西,丰富了我的生活。 养育之恩没齿难忘,无尽地感激父母含辛茹苦的将我抚养成人,认真的完成学业是 我对他们最好的回报。感谢阿姨家人对我的支持,感激姐姐王妙明及姐夫张建勋在生活上 对我的帮助,感谢女友陈菁珏及其家人对我学习工作的支持.没有你们,我的学业无法如 此顺利的完成。同时感谢所有在我成长过程中帮助过我的人,祝你们幸福快乐 王宏胜 年月于求是园 第章绪论 . 课题背景 ..能源危机、环境危机 能源是人类生存和发展的前提,也是人类文化得以创造和延续的基础,但是随着现 代人类文明的发展,人类对大自然的索取也越来越多。全球经济特别是新兴市场经济的发 展对能源产生巨大需求,煤炭、石油、天然气等传统能源开采量和可使用时间越来越少。 石油作为重要的能源,预计只剩年的使用时间,全球面临严峻的能源危机。常规能源严 峻的供需形势导致价格高涨,石油价格在年间上涨了?倍。 全球经济严重依赖于传统能源的现状,使其面临增长减速的风险.传统能源是现代 经济发展三大支柱之首,但同时是主要的污染来源,对环境和生态的影响主要体现在温室 气体的排放上。根据第四份评估 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,世纪地球表面平均温度大约升高了., 预计在?年还要升高.一.,这将严重威胁我们的生存环境,给人类带来 严峻的环境危机. ..可再生能源的发展 随着能源危机与环境危机问题的日渐严峻,对新能源的开发与使用已成为可 持续发 展的必然。尽管预计常规能源、特别是化石能源,还会在较长一段时间内在世界能源消费 中继续占据主导的地位。但为了实现世纪全球经济.能源.环境的可持续发展,加速开发 利用可再生能源,已经成为不可逆转的潮流;并终将成为世纪人类赖以生存发展的主流。 以能源的清洁化、高效率、可持续的技术开发为核心,结合信息、通讯、新型材料、生物 工程、自动化、空间技术等一系列高科技的发展利用,新一轮的工业技术革命正在兴起. 在实现能源清洁化、高效化的基础上;智能建筑、智能汽车智能交通、智能电网智 能能源传输网络,清洁高效的智能生产装置和生活设施等将成为现代化经济社会的基本 构架。 可再生能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热 能,包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能 源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量,也可以说,新能源包括各种可再生能源和核能。 相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境 污染问题和资源特别是化石能源枯竭问题具有重要意义.第章绪论 新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源,相对于常 规能源而言,在不同的历史时期和科技水平情况下,新能源有不同的内容.当今社会,新 能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气等。 联合国开发计划署把新能源分为以下三大类:大中型水电;新可再生能源, 、 包括小水电.、太阳能、风能、现代生物质能 . 地热能、海洋能潮汐能;传统生物质能 下面将简要介绍太阳能发电、海洋能发电和风力发电等几种目前热门的新能源发电 技术. .太阳能光伏发电啦 太阳能光伏发电技术是利用太阳辐射的光子能量。当光子照射半导体材料时,光能 便转换为电能,这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种 光电器件.太阳电池与普通的化学电池干电池、蓄电池完全不同,是一种物理 性质电源. 太阳能光伏发电系统就是将光伏电池转换出来的直流电通过电力电子交流技术将其 逆变为交流电。目前的太阳能光伏发电系统可分为并网型和离网型两种.并网型太阳能光 伏发电系统是分布式发电系统的重要组成部分,小功率可用单相并网逆变器实现并网,大 功率则必须通过三相并网逆变器实现并网运行.而对于离网型太阳能光伏发电系统,其关 键技术为储能元件,一般采用蓄电池对多余能量进行存储. 海洋能发电 海洋能指依附在海水中的可再生能源,海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能 量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐与潮 流能来源于月球、太阳引力,其他海洋能均来源于太阳辐射.所谓海洋能发电就是利用海 水的动力推动发电机进行发电. 风力发电 风是由太阳辐射热引起的一种自然现象。太阳照射到地球表面,由于各处受热不同 而产生温差,引起大气的对流运动而形成风。 风力发电是将风能转换成电能:风能推动叶轮旋转,叶轮带动转动轴和增速机,增 速机带动发电机,发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷.风力发电技术是 一项多学科的、可持续发展的、绿色环保的综合技术,它也将是本文要重点探讨与研究的 发电技术.浙江大学硕士学位论文 . 理想电网条件下风力发电技术的发展与现状 ..我国的风能资源分布 截至年,中国米高度层的风能资源总储量为.亿千瓦,其中实际可开发利 用的风能资源储量为.亿千瓦. 东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区,有效风能密度大于或等于/平方米 的等值线平行于海岸线;沿海岛屿有效风能密度在瓦/平方米以上,全年中风速大于或 等于米/秒的时数约为~小时,大于或等于米/秒的时数.为小时。 新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区,有效风能密度为~ 瓦/平方米,全年中风速大于或等于米/秒的时数为小时以上,全年中风速大于或 等于米/秒的时数为小时以上. 黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好,有效风能密度在瓦 /方米以上,全年中风速大于和等于米/秒的时数为小时,全年中风速大于和等于 米/秒的时数为小时. 青藏高原北部有效风能密度在?瓦/平方米之间,全年风速大于和等于米/秒 的时数为小时,全年风速大于和等于米/秒的时数勺小时;但青藏高原海 拔高、空气密度小,所以有效风能密度也较低。 云南、贵州、、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区 及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江,为风能资源贫乏地区,有效风能密度在瓦/平 方米以下,全年中风速大于和等于米/秒的时数在小时以下,全年中风速大于和等于 米/秒的时数在时以下,风能潜力很低. 如图.所示为中国的有效风密度分布图。由图可清楚看出,我国风力资源有效风密 度大的地方主要分布在东南沿海地区、山东半岛、东北地区、内蒙古以及新疆省。这些地 区的有效风密度都在/以上。截至年底,我国累计风电机组多台,装机 容量约为,分别分布在个省、市区,其中,内蒙古为我国装机容量最大的省 份,达到,,,其次为辽宁省,装机容量为,。第?论 目 中国有效甩功率密度分布圈 ..风力发电畚统的拓扑结构 目前,风力发电系统常见的有三种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型 风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电,二是风力发 电与其他发电方式如柴油机发电,风光互补等相结合,向一个单位或一个村庄或一个 海岛供电;三是风力发电并常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风电场安装 几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向【. 在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机.风力机向着变浆距调节技术, 发电机向着变速恒频发电技术,这是风力发电技术发展的趋势,也是当今风力发电的核心 技术.下面简单介绍这两方面的情况。 ..风力机的变浆距调节“” 风力机通过叶轮捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩.目前成熟的有 两种调节技术,即变桨距调节和失速调节。 变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角,从而影响叶片的受力和 阻力,限制大风时风机输出功率的增加,保持输出功率恒定。采用变距调节方武,风机功 率输出曲线平滑。当风力机在额定风速以下时,控制器搏叶片攻角置于零度附近,不做变 化,近似等同于定浆距调节。而当风力机在瓠定风速以上时,变浆距控制结构发生作用, 调节叶片攻角,将输出功率控制在额定值附近。当正常工作时,主要是采用功率控制。浙江大学硕士学位论文 由于变浆距调节风力机受到的冲击较其它风力机要小得多,可减少材料使用率,降 低整体重量及成本。且交距调节型风力机在低风速时,可使桨叶保持良好的攻角,比失速 调节型风力机有更好的能量输出,因此比较适合于平均风速较低的地区安装。 变距调节的另外一个优点是,当风速达到一定值时,失速型风力机必须停机,而变 距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置,避免停机,增加风力机 发电量。 变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率 脉动比较小,而变距调节型风力机则比较大,尤其对于采用变距方式的恒速 风力发电机, 这种情况更明显。 ...变速恒频风力发电机 目前,变速恒频风力发电系统的主流机型可归纳为三种,分别为:全功率变换器有 齿轮箱变速恒频风力发电系统,全功率变换器无齿轮箱变速恒频风力发电系统及交流励磁 变速恒频双馈风力发电系统. 全功率变换器有齿轮箱变速恒频风力发电系统 这种系统的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的,如图.所示。为了在风速 变化时追踪最大风能,风电机组作变速运行。为使发出的变频电能恒频化,发电机定子通 过一个交一直.交变换器与电网连接。该交.直.交变换器分为定子侧变换器和网侧变换器, 两个变换器均采用全控器件作为主电路,于是便构成三相背靠背式双变换器。这类 系统的优点是控制方法成熟、可靠,因其主电路结构与普通的交流变频调速系统一致,可 以借鉴交流变频调速系统中的一些成熟的控制思想及 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 电网 。 图.全功率变换器有齿轮箱变速恒频异步风力发电系统 但由于变换器的容量和发电机的容量相同,对于大容量的风力发电系统而言,整个 变换器的成本和运行时功率器件的损耗都很可观。另外,网侧变换器虽然可调节无功功率, 但会有高频电流直接流向电网,造成电力谐波污染。第章绪论 全功率变换器无齿轮箱变速恒频风力发电系统 对于图.所示的系统,如果采用一个多极的电励磁或永磁同步发电机,则可以省去 齿轮箱,从而消除了齿轮箱在运行中的损耗.如图.所示为全功率变换器无齿轮箱变速 恒频风力发电系统的示意图.但是,多极同步发电机的外形尺寸比普通极或极同步发电 】,重量也要重,省去齿轮箱并没有给系统的体积与重量带来 机加上齿轮箱的尺寸还要大【 多少改善.此外,该系统的定子侧变换器和网侧变换器与全功率变换器有齿轮箱变速恒频 风力发电系统相同,这对主电路功率要求非常高. 电网 图.全功率变换器无齿轮箱变速恒频异步风力发电系统 双馈异步风力发电机 变速恒频风力发电机最常采用的是交流励磁的双馈异步风力发电机,其结构 如图. 所示.与前述两种全功率变换器相比,其最大优势就是励磁变换器的容量大大降低,为发 电机容量的.一.倍之间。此外,它的结构类似绕线型感应电机,转子绕组上加有滑环 和电刷,因此,转子的转速与励磁的频率有关,从而,可以通过交流励磁变换器的控制达 , 到变速恒频的控制性能。 交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率 来实现变速恒频,还可以实现有功、无功功率控制,对电网而言还能起无功补偿的作用. 此外,交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点: .允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少了调速时的机械应力. 同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率. .调节励磁电流幅值,可调节发出的无功功率;调节励磁电流相位,可调节发出的 有功功率.应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节. 浙江大学硕士学位论文 图.采用双馈异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统 ..变速恒频风力发电系统的运行机理及控制策略】 关于基于的变速恒频风力发电系统的运行机理在大量文献中已有详尽描述,但为 后续讨论需要,本节再作简要说明。如图.所示为双馈异步风力发电系统的主电路图。 由图可知,具有定子绕组和转子绕组两套绕组,定子绕组通过变压器接至电网,转 子绕组则通过背靠背式双变换器后经过变压器接至电网.背靠背式双变换器按 其所处位置可分别称为转子侧变换器和网侧变换器,如图.所示.当发电机亚同步速运 行时,电网往转子中馈入能量,网侧变换器作整流器运行,同时转子侧变换器作逆变器运 行,当发电机超同步速运行时,背靠背式双变换器从转子中吸收能量,转子侧变换 器作整流器运行,并通过网侧变换器将能量回馈到电网;当发电机以同步速运行时,背靠 背式双变换器向转子馈入直流励磁电流,实际作斩波器运行.在此过程中,网侧变 换器的功能有:配合转子侧变换器的运行,实现能量双向流动;控制直流母线电压恒定以 及调节网侧的功率因数,使整个风力发电系统的无功功率调节更加灵活。而 转子侧变换器 的主要功能为:施加转差频率的电压进行励磁,调节励磁电压的幅值、频率和相位,实现 定子恒频恒压输出,以实现对定子输出有功功率和无功功率的控制。 图.双馈异步风力发电系统的交流励磁主电路 第章绪论 目前,对于理想电网条件电压条件下的风力发电系统的控制策略已有大量研究 工作【 】,在风力发电系统的网侧变换器和转子侧变换器中,矢量控制 ,简称与直接功率控制 ,简称是目前讨论最为广泛的 两种控制方式。 矢量控制根据定向方式的不同可以分为电压定向和定子磁链定向方式。针对网侧变 换器有电网电压定向矢量控制.和虚拟电网磁链定向矢量控制 .两种控制方式;针对转子侧变换器相应的有定子电压定向矢量控制 .和定子磁链定向矢量控制.丙种控制方式. 直接功率功率控制则可根据是否含有空间矢量调制器模块分为查表式直接 功率控制【和空间矢量调制直接功率控制.【】. 本文所介绍的所有控制策略都是基于矢量控制,因此本节将重点介绍网侧变换器控 制系统和转子变换器控制系统的矢量控制策略. ...网侧变换器系统的运行机理及控制策略 目前,已有大量文献对网侧变换器系统的控制策略进行了深入研究【】,本节 以基于电网电压定向的矢量控制策略.为例,介绍网侧变换器的数学模型以 及控 制策略。 网侧变换器系统数学模型 由于采用了.控制策略,即电网电压定向在电网角频率同步旋转坐标系的础 上,于是,实现了网侧变换器系统中各电量的解耦,简化了网侧变换器的数学 模型。如式 .所示为同步旋转由坐标系下网侧变换器的数学模型【刀: %%等一乞% . %瓯鲁% 矗咚一一嘲 其中:%、%分别是电网电压的以轴分量; 如、‘分别是输入电流的、轴分量; %、%分别是变换器中三相全控桥交流侧输出电压的、轴分量; 为网侧进线电抗器 岛、瓯分别是开关函数的、轴分量;浙江大学硕士学位论文 为电网电压的角速度。 于是,令 %岛鲁 . 矿?: 鱼 ’钾’ 为消除静差,引入积分环节,根据式.可设计出电流控制器为: 吃鲁厶争碱刮虹一? . 吃等譬州‘吲心出 其中,‘、乞分别为电网:咒.轴给定,晦、墨分别为电流控制器的比例、积分 系数。 网侧变换器系统的控制策略 整个网侧变换器控制系统可以分为两个环节,一是直流母线电压外环控制,另一个 是电网输入电流内环控制。其控制系统示意图如图.所示. 图.网侧变换器控制系统示意图 如图.所示为采用?控制策略的网侧变换器控制框图。由图可知,基于 .控制策略下,电网电压定向在电网角频率同步坐标系的狮上,电网电压轴为零, 于是,可通过锁相环计算出电网电压的相角与角速度,从而为矢量控制所需的同 步坐标变换提供电网电压相角信号。直流母线电压外环的调节输出直接作为电网电流的 础给定,而电网电流在同步旋转由坐标系下,通过调节器控制以实现网侧的双闭环控 制. 第章绪论 网 图.基于?的网侧变换器直流母线电压、电流双闭环控制原理框图 ...转子侧变换器系统的运行机理与控制策略 转子侧变换器与网侧变换器通过直流母线解耦,因此,它们的控制是各自独立的。 转子侧变换器系统的控制对象为,其控制效果直接影响着整个风力发电系统的 控制性能以及发出功率的电能质量。关于转子侧变换器系统控制策略的研究已在大量文献 中讨论。为后续第三章讨论的方便,在此简要介绍转子侧变换器在电网理想条件下的数学 模型及控制策略。 转子侧变换器系统数学模型 图. 轴定子电压定向矢量图 本节以定子电压定向矢量控静.图.为例介绍转子侧变换器的数学模型, 采用电动机惯例,于是,如式.为同步旋转由坐标系下的系统数学模型‘: 咖 母岛 鸥 ‘ % ‘ 丝啦 厶一‘ 咖 妒 母 鸣 岛 盟国生西 浙江大学硕士学位论文 舯删告; %、%、%分别为定子电压的榭分量,转子电压、轴分量; 乇、‘分别为转子电流的、轴分量; 足为转子电阻; 厶、‘分别为同步旋转由坐标系下定、转子等效两相绕组自感; 厶为同步旋转砌坐标系下定子与转子同轴等效绕组问的互感; 、蛾分别为同步旋转角速度和转差电角速度。 类似于式.和.,可得转子电.流调节器: 盯 般 泐 鸣‘ 以艺 砟 七 墨 ‘ 贼 ? 盯 件 者 以 心 砟 嵋? 吒乞 贩 盟以坠出 监以嵋百 在确定子电压定向下,定子输出有功、无功功率和转子电流口轴分量的关系 如下: 七,? 弘挚岛 一貉% 由式.可知,当采用础定子电压定向控制策略时,转子电流、轴分量分别成 为有功、无功电流分量,即可通过对转子电流、曰轴分量的独立调节控制以实现定 子输出有功、无功功率的解耦控制。 转子侧变换器系统的控制策略 转子侧变换器主要的功能就是控制定子发出的有功功率和无功功率,根据定子电压 定向矢量控制的原理,发出的有功功率和无功功率可实现孵耦控制,即转子电流础 分量用于控制定子有功功率的输出,转子曰轴电流用于控制定子无功功率的输出,因此, 精确地调节转子.轴电流便可精确地调匍定子有功功率和无功功率的输出。如图 .所示为采用控制的转子侧电流闭环控制框图。第章绪论 三相电网 图.基于.控制的转子电流闭环控制框图 .不对称电网条件下风力发电技术的研究热点 上述关于网侧与转子侧变换器的控制策略都是在理想电网条件下,即电网三相电压 平衡条件下,然而,由于现代电网中通常存在各种电网故障,尤其是电网电压不对称跌落 的故障,因此,风力发电系统的控制必须满足现代电网的运行要求,同时,从保护 发电机本身的角度出发,系统必须具有故障穿越能力. ..常见的电网电压故障类型 电网电压故障可分为稳态小值电网电压不平衡【。划和瞬态大值电网电压跌落,包括 对称跌落和不对称跌落.文献.】明确指出电网电压中允许长时间存在有最大不平衡 度为%的小值稳态不平衡情况.这里所定义的不平衡度为负序电压与正序电压之比. 在此将重点讨论电压不对称跌落故障的类型【,需特别指出的是,电压对称跌落可 认为是电压不对称跌落故障的一种特殊情况。电压的不对称跌落故障通常是由于电力系统 的短路故障造成的,而电力系统的短路故障可分为单相对地短路、两相相间短路和两相对 地短路三种类型。然而,通常用电设备是连接在二次侧,而故障通常发生在一 次侧,所以, 在用电设备供电端上的电压不平衡度不仅与节点处的电压有关还与变压器的绕组接 线方式有关.由于风力发电系统是通过变压器接至电网,因此,可作为二次侧设备考虑。 浙江大学硕士学位论文 如图.所示为单回路电力系统模型.如图所示,在总线节点发生故障时,总线节点处 将发生电压跌落.于是,可将节点处的电压跌落类型可分为七种类型,如图.所示.变压器 负载风电系统 图.单回路电力系统模型 , ?, 黾》一却 类型 类型 类型 、 ,呦 邑 邑 却 , 类型 类型 类型 皇 坤、 .曲 / 、 类型 图.电网电压跌落故障类型图 虚线为发生故障前的电压矢量,实线为发生故障后的电压矢量 ,.......,第章绪论 根据变压器的类型,节点处的电压故障类型可以由图.中任一种类型切换至 另一种类型.变压器常见的类型具体如下: 类型:不对电压相位幅值做任何改变的变压器,例如愧接法变压器; 类型:消除零序电压的变压器,例如/、/、?或/接法变压器; 类型:交换线、相电压的变压器,例如僧、/、/接法变压器. 通过不同类型的变压器后,电压跌落故障类型的转换如表.所示. 表.电压跌落故障类型转换表 初级电压跌落故障类型 电压跌落类型 变压器类型 变压器类型 变压器类型 ..传统矢量控制在不对称电网电压故障条件下的控制性能 由于在电网电压不对称跌落故障下,电网电压不仅存在着正序分量,而且存 在负序 分量,负序分量在网侧交换器的控制中,体现为以电网角速度同步旋转的由坐标系下的二 倍频波动分量,而在转子侧变换器的控制中体现为电机的同步速旋转由坐标系下的二倍频 波动分量。传统的矢量控制仅能在正转同步由坐标系下,对电网电流和转子电流进行调节 控制,当电流的.轴分量存在二倍频波动的负序分量时,传统调节器的控制能力将大 大受到限制.如图.、图.分别为电网电压不对称跌落故障对网侧变换器和转子侧变 换器的影响结果. 由图.可知,在电网电压不对称故障下,当网侧变换器向电网发出有功功率时, 如图.所示,由于轴电流的反馈分量中存在着严重的二倍频波动,而未能跟踪参考 给定值,三相输入电流存在着严重的不平衡度,如图.所示。由于电网电压三相不平 衡,因此,如图.所示,网侧变换器的有功与无功功率均存在着二倍频波动的分量. 女?学《?擘位论文 啦厂寸卑 委 量 /格 /格 匕 ?、?、/\/\/\/\/\/\~ 强 一鞋、《耳 ?、/\,、一?、/\广、广、一 ‘ /格 田网倒变换嚣在电罔不对称故障条件下的运行结果不平衡度为%,向电两发 出有功功率 如圈.撕示为采用传统转子电流调节器的系统在不平衡度为%的电网电 压不对称故障下的运行菠形.实验过程中,运行干亚同步速踟转份同步速为 转,,定子输出有功功率给定,无功功率给定.于是,三相不对称定子 电压波形如圉.所示.图 为定于三相电流波形,由图可看出,在定子电 压存在%的不平衡度时,搏引起定子电流非常大的不平衡.如图.所示,在电网 电压不对称故障下,定子输出有功功率、无功功率及电磁转矩均存在严重的 二倍电网频率 波动,采用传统电流调节器并不能保风力发电系的供电质量。从圉 可 】的谐波成分,其中 看出,三相转子电流存在严重的低次谐波成分,即啦一 ‰一一?。由图.、可清楚看出,该转子电流的谐波成分在同步速正向 旋转由坐标系下即表现为.轴反馈分量的二倍藏波动,而未能跟踪给定参考值,因此转 子电流未能得到控制.弟章培论 /格图 转子侧变换器在电网不对称故障采件下的运行结果 不平衡度为%,发出有功功串,吸收无功功率浙江大学硕士学位论文 .本论文的主要研究内容 随着风力发电技术的发展以及现代智能电网概念的深入人心,越来越多的人们将研 究的重心从理想电网转到电网故障条件下.而电网电压跌落故障作为电网故障最常见的一 种形式已经成为众多学者研究风力发电技术的假想电网条件.此外,随着风力发电 系统容量的不断增加,它对电网的重要性也日益明显,直接影响着电网运行的稳定性和电 能质量。因此,电力系统对风力发电系统的并网运行要求也日益苛刻。风力发 电系统具有低电压故障穿越能力 ,简称已毋庸置疑成 为时代发展的必然.以此为背景,本论文在国家“十一五”科技攻关项目“双馈异步风力 发电机低电压穿越技术研究”项目编号:的支持下立题对双馈异步风力 发电机在电网电压不对称跌落故障下穿越运行的基础理论及关键技术进行 了研究.从理论 分析、系统建模到实验验证三个方面展开全面、深入的研究. 本文各章节主要研究内容安排如下: 第章:主要对风力发电系统的网侧变换器在电网不对称故障条件下的控制策略 进行研究.深入研究在电网电压不对称条件下的网侧变换器数学模型;讨论了常用的正, 负序分解方法;并介绍了提高网侧变换器控制故障穿越运行能力的三种控制目标.随后, 以网侧变换器工作于逆变器模式为例,重点讨论网侧变换器的电流内环控制,先后研究了 双由、电网电流控制器和比例谐振电网电流控制器。着重研究了电流控制器 比例、谐振和衰减参数设计及优化;控制器软件设计及参考电流给定的计算方法。随后, 加入直流母线电压外环,以网侧变换器工作于整流模式进行研究.采用 /仿真对系统理论进行初步验证,最后,通过实验对两种控制策略的 稳态与动态性能进行对比论证. 第章:研究了风力发电系统的转子侧变换器在电网电压不对称跌落故障下的控 制策略。首先,建立了在电网电压不对称跌落故障条件下的完整数学模型和瞬时功率模型, 随后,根据电网运行规程,针对转子侧变换器的控制介绍了提高转子侧变换 器故障穿越能 力的四种控制目标。紧接着,讨论了双由、转子电流控制器的设计以及参考电流给定的 数学依据。根据双由、电流控制器的设计需求,对电网电压角频率锁相环进行 了研究,并根据电网电压不对称故障下的锁相技术进行了探讨.随后针对双面、转子电 流控制器所存在的缺点,讨论介绍了转子侧变换器的转子电流控制器。重点讨论了 电流控制器的比例、谐振和衰减参数设计及优化.随后,通过样机系统的实验,前述两种 控制策略进行比较论证。 第章:实验系统设计.研制了一台给双馈感应发电机进行转子交流励磁的背靠 背式双变换器系统,完成了硬件电路的设计、制作,控制软件的编写、调试,构造 第章绪论 了完整的交流励磁变速恒频双馈风力发电实验样机系统,并构造电网电压不平衡度作为实 验系统的运行电网条件.在此电网电压正常条件下进行了系统的变速恒频双馈风力发电运 行实验,实现了基本的亚同步、同步和超同步运行以验证软硬件系统的正确 性;并最后完 成了网侧变换器与转子侧变换器在电网电压不对称跌落故障条件下的系统联调。 最后,作者在本文第章对本文进行总结,并对下一步的研究工作进行展望。 参考文献 【】,,.太阳能发电技术的应用与发展阴.上海电力,, : 【】李钟实.太阳能光伏发电技术问答二【】.电子世界,,:. 我国风能资源分布小资料.网址:://、啊...///. 【】 风力发电技术及其新型风机电控系统的应用探讨. 网址: ://..///一. 胡东,赵湘文,蔡旭,尚景宏.基于永磁同步风力发电机的风柴油互补发电系统【】.电机与控制应 用,,: 风电技术的特点和发展趋势.网址:://..//. 【】赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究【博士学位论文】.浙江杭州,浙江大学, 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因此,本章将首先对电网电压不对称故障下的并网型逆变器的正、负序由模型进行 推导,进一步讨论针对小值稳态电网电压不对称故障条件下即电网电压不对称度小于 %的情况下,增强并网逆变器故障穿越运行能力的三种控制目标。根据不同控制目标 的正、负序转子电流指令值,设计了基于双由、电流调节器的控制算法。随后,针对双 由、电流调节存在的延时问题,深入讨论筇静止坐标系下并网逆变器的数学 模型,并最 后得出基于电流调节器的控制算法。随后,对网侧变换器工作于整流器模式进行研究, 加入直流母线电压控制外环。本章最后,通过一个额定功率为的网侧变换器试验 系统,在电网电压不平衡度为%的故障条件下,网侧变换器分别工作于并网逆变器状态 和整流状态时,对双由、调节器和调节器在故障稳态和暂态情况下,进行试验结果的 对比论证,验证了所研究控制算法在电网电压不对称故障条件下具有良好的稳态控制性 能,并进一步证明了基于电流调节器的网侧变换器系统具有更优越的动态性能. .网侧变换器数学模型与控制策略研究 由于网侧变换器的主电路采用双向变换器,因此其具有能量双向流的特性,即 网侧变换器可工作于整流状态系统运行于亚同步时,也可工作于逆变状态 系统运行于超同步时.因此,本章在研究网侧变换器的电流控制内环时,将把网侧变换 器作为并网逆变器进行研究,以简化系统结构.第章电网电压不对称故障条件下双馈风力发电系统网侧变换器建模与控制 ..电网不对称故障下并网逆变器的数学模型【暑 在电网电压正常情况下的并网型逆变器数学模型已众所周知已在绪论中介绍, 然而在电网电压不对称故障条件下,由于电压和电流都存在正、负序分量,并网型逆变器 的数学模型将被重新定义. 在电网电压不对称故障条件下,并网型逆变器的电路如图.所示. 乞 图.并网逆变器主电路 图中,‰为并网逆变器直流母线电压,知、曲、缸分别是并网逆变器的三相输出电 流,岛为三相进线电抗器,啪。为三相电网电压,须特别注意的是,在本文中,嘞。为 相不对称电压.在主电路图中,线路阻抗及均通态电阻忽略不计.从上图可得并网 型逆变器的等效电路,如图.所示,为在三相静止坐标系下的等效电路图。 根据图.可得并网逆变器在静止坐标系下的数学模型: . ‰‰‘等 由于受控量钿。为三相正弦量,而控制器的控制量为直流量,则须对并网逆变器的 数学模型进行坐标变换,将其转换至电网角速度同步旋转由坐标系中,于是有: 如 % % 鸭%岛 % 如 % 吐% 丝以坠西 其等效电路图如图.所示,其中为电网的同步角速度。式.中引入了交叉耦 合项乓‘、白以实现、轴电流的独立控制.浙江大学硕士学位论文 % 图.静止坐标系下并网逆变器等效电路 图.同步旋转坐标系下并网逆变器等 效电路 ..双由、电流控制器控制策略 ...并网逆变器在双由坐标系下的数学模型 在电网电压不对称故障下,电网电压电流在静止坐标系下,不仅存在以同步 速正 向旋转的正序分量,还存在以一铂反向旋转的负序分量.如下式所示。 ? 他 十 ‰ ‰‰ ‰‰答答 其中,下标、一分别表示正、反向同步旋转坐标系,上标、一分别表示正,负 序 分量。故在正向旋转由坐标系下有: 弘 %‰ ‰‰葛 ‰ ‰‰ 由式.可知,在电网电压不对称故障下,若系统再以式.数学模型作为控 制模型,则由于,轴电流含有倍频波动的分量,而造成调节器的控制对象非直流量, 从而使电流调节器控制性能下降,并且电流的负序分量得不到控制,进一步使系统故障 穿越运行能力下降。 因此,在电网不对称故障下,为获得高性能的控制,必须对电流的正、负序分量分 别进行控制。于是并网逆变器的数学模型可分解为正、反转同步由坐标系下的正、负序分 量的表达形式: %%乞警一劬? . 分%以譬囊