非理想电网下基于无锁相环的双馈风电机组直接功率控制研究

随着新能源的迅速发展,基于双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)的风力发电机组在电力系统中的比重越来越大。然而,风电场公共连接点处的电网电压往往呈现非理想特性,存在谐波或不平衡分量,将影响DFIG系统的安全稳定运行,同时恶化了风机向电网输送的电能质量,难以满足风电并网规范对机组的运行适应性指标和输出电能质量的要求。因此,非理想电网下的DFIG机组高性能控制方案具有重要的研究意义。然而,目前大多数控制方案依赖锁相环获得电网电压基准实现并网运行,但非理想电网电压将导致锁相环无法准确和快速地跟踪电网同步信号,影响DFIG机组的控制有效性和准确性,甚至引发系统震荡问题。为此,本文研究了基于固定旋转频率的虚拟dq坐标系下无锁相环控制方案,围绕非理想电网下基于无锁相环的DFIG机组直接功率控制(direct power control,DPC)方案,通过数学建模、控制方案设计与实验验证,完成了以下工作:1、建立了谐波电网下并网逆变器基于固定旋转频率的虚拟dq坐标系下的数学模型,以此为基础提出了基于无锁相环的逆变器DPC控制方案,避免了锁相环在畸变电网或频率突变情况下的锁相误差。通过引入二阶矢量积分器(second-order vector integrator,SOVI)对 谐波分量构成直接谐 振闭环,分别 实现了 输出有功功率平稳、无功功率平稳或并网电流无谐波三个控制目标。同时,针对谐波电网下频率偏移问题,设计了一种基于谐振调节器的频率估测方法,实现了对电网频率的快速估测,从而保证了所提控制策略对谐波分量的自适应精准控制。2、提出了谐波电网下基于无锁相环的DFIG机侧变流器DPC控制方案,通过建立DFIG及机侧变流器在虚拟dq坐标系下的数学模型,分析了 DFIG机组在谐波电网电压下功率、电流和电磁转矩中包含的波动分量特性。为了提高谐波电网下DFIG机组的并网运行性能,在频率估测方法准确实时获取电网频率的基础上,采用自适应SOVI实现了对谐波分量的直接谐振闭环控制,可分别实现定子有功和无功功率平稳、定子电流正弦和电磁转矩平稳三个控制目标。3、针对电网电压同时包含不平衡和谐波分量的运行环境,通过建立DFIG机组网侧变流器和机侧变流器在虚拟dq坐标系下的数学模型,提出了不平衡和谐波电网下基于无锁相环的DFIG机组的DPC协同控制策略。利用频率估测方法,采用频率自适应的具有双谐振频率的SOVI调节器(dual-frequency SOVI,DFSOVI)用于构造直接谐振闭环,通过机侧变流器实现对电磁转矩波动分量的抑制,从而提高发电机运行的可靠性。同时,通过网侧变流器的补偿作用实现平衡且正弦的并网总电流,提高非理想电网电压下DFIG机组输出的电能质量。