适应电网环境的双馈风电机组变流器谐振控制

随着风电装机容量的增长,各国开始要求风电机组能够广泛适应电网运行环境的变化,为此,风电机组应不断开发先进技术来持续提高风电运行性能。我国风电机组大量安装在偏远地区,通常为电网的末端,风电机组接入的电网可能较弱,在这类弱连接的电网中,电压畸变和不平衡尤其突出。由于双馈风电机组的发电机定子直接连接到电网,电网畸变和不平衡情况会严重影响机组的安全、可靠运行,必须解决电网畸变和不平衡情况下的双馈风电机组电网适应性问题。 为提高风电机组对电网的适应性,本文着重开展以下三个方面内容的研究：1、双馈风电机组在电网畸变情况下的控制策略,以增强风电机组应对畸变电网能力；2、满足风电变流器模块化结构设计要求的不平衡控制策略,降低电网不平衡对双馈风电机组的影响,以提高风电机组可靠性；3、电网非理想情况下的锁相控制策略,为先进控制技术的实现提供精确的电网相位和频率信息。 本文第一章介绍了风力发电的基本现状和发展趋势,分析了风力发电系统的并网技术要求。针对本文主要的研究工作,归纳总结了电网畸变和不平衡情况下的双馈风力发电系统控制技术研究现状。 为了增强双馈风电机组对畸变电网的适应性,本文第二章对电网畸变情况下双馈风电机组的运行特性、矢量控制性能以及控制策略进行了分析和研究。首先,对传统电流矢量策略在电网畸变情况下的运行性能进行评估,分析了传统电流矢量控制策略的局限性；在此基础上,提出了一种基于谐振控制器的定子电流谐波控制策略,分析了采用该控制策略后的双馈系统谐波抑制能力,并进行仿真验证；最后,在双馈风电机组实验平台上对所提出的控制策略进行验证,并与传统电流矢量控制进行了稳态和动态的实验比较与分析。 本文第三章对应用于定子电流谐波控制的谐振控制器进行了分析和设计。分析了谐振控制器对控制系统稳态、动态和稳定性的作用,给出了谐振控制器的一种系统性设计方法。针对谐振控制器对系统动态性能的影响,探讨并分析了两类适用于提高控制系统相位裕量的补偿方法,并进行了仿真验证。 为了增强双馈风电机组对不平衡电网的适应性,本文第四章对电网不平衡情况下双馈风电机组的运行特性、矢量控制性能以及控制策略进行了分析和研究。探讨了传统电流矢量控制方法对不平衡电网中负序电压的控制阻尼,以此为基础,评估了传统电流矢量控制方法应对不平衡电网的能力；而后,提出了一种基于谐振控制器的定子电流平衡控制策略,对比了传统电流矢量控制和定子电流平衡控制的抗不平衡能力,并进行了仿真和实验验证。同时,针对大型风电机组可靠性和模块化设计要求,提出了利用电容电流控制来抑制直流电压波动的网侧变流器控制策略,评估了采用谐振控制结构的电容电流闭环控制对网侧变流器运行性能提高所起的作用；针对电网不平衡时可能存在的三次谐波电流问题,探讨了两种改进的电容电流控制方案。最后,对电容电流控制方法进行了详细的实验验证工作。 由于对电网电压畸变、不平衡、瞬时跌落、频率突变等非理想情况下可能对软件锁相造成影响,本文分析并设计了一种基于三相静止坐标延时信号消除算法的软件锁相技术,进一步改善了锁相系统的动态跟踪性能；最后,进行了仿真和实验验证工作。 本文第六章对本文的工作进行了总结,给出了本文的主要贡献,并对后续研究工作作一展望。