双馈型风力发电机励磁控制与优化运行研究

随着常规能源短缺和环境污染问题加剧,风能作为可再生绿色能源,对其开发利用十分必要。变速恒频双馈型风力发电系统具有转子励磁变频器容量小、成本低,机电系统柔性连接,风能捕获能力强等特点,成为目前风电开发的主流机型,其交流励磁控制技术也成为重要的研究方向。受国家自然科学基金项目“大型变速风力发电混杂系统全工况优化运行控制策略研究(项目号: 50677021)”的资助并作为该课题部分内容,本论文在广泛分析国内外有关资料的基础上,重点研究了变速恒频双馈型风电机交流励磁控制和优化运行技术,并在网侧变换器控制方案、最大风能追踪控制方案、变频器系统建模方法等方面进行了改进,主要研究内容及创新成果如下: 1.分析了风电用交直交变频器的系统结构、控制目标和数学模型。为提高有功电流的实际响应速度,增强母线电压抗扰动能力,在传统的网侧变换器直接电流控制方案的基础上,创新的提出了一种应用模糊控制器将单位功率因数和母线电压稳定综合考虑作为无功电流参考设定的方案。仿真表明新方案有效。 2.分析了双馈发电机的运行原理、等值电路、功率特性和数学模型。为研究变速恒频运行中双馈发电机稳定性变化规律,应用小扰动分析法,得到发电机对象在典型工况点上的线性模型加以分析,结果表明双馈发电机对象在正常工作转速范围内都具有稳定性,并且在由亚同步或超同步向同步速变化的过程中,稳定性变化趋势一致。 3.分析了风力机的功率特性和风力发电系统运行区域及控制目标。建立了双馈发电机双闭环矢量控制系统,研究了功率控制模式和转速控制模式下发电机系统的调节原理和动态特性。针对已有的最大风能追踪方案在稳态和动态性能上存在的问题以及风速测量的不准确性,创新的提出了一种新型模糊最优转速追踪控制方案,将转速、功率和风速变化量都作为模糊控制器输入,以增强模糊推理应对渐变风速的能力。模拟自然风速激励下的仿真结果表明,新方案提高了机组低风速运行区域风能捕获能力。此后,为实现发电机最低损耗运行,根据双馈发电机损耗特性与无功功率的关系,提出了一种应用模糊控制器进行最优无功设定的方案,仿真结果表明此方案能够自适应发电机系统参数摄动而保持最低损耗运行,提高了发电机的运行效率。 4.结合风力机变桨距控制,分析了双馈风电机准同期并网、自同期并网和零功率解列控制策略。仿真验证了机电系统协调工作对提高机组并网和解列控制水平的作用。 5.分析总结了常规风电机组对象建模仿真方法。针对应用Matlab/Simulink/PSB对交直交变频器建模仿真存在运算量大、耗时长的问题,创新的提出了一种交直交变频器系统简化模型,既能够合理反映变频器系统工作原理和外部特性,又具备运算简洁高效的特点,适合于风电机组系统级控制策略的仿真研究。接下来,研究了双馈发电机跨并网全过程建模仿真方法,为并网控制策略有效性验证提供了仿真平台。