变速恒频风力发电用双PWM变换器的协调控制

相比传统的循环变流器，作为兆瓦级变速恒频风电机组电控系统的核心部件，双PWM变换器转子励磁电源的输入输出特性更好，电力谐波更低，调速调频范围更宽。转子侧变换器担负双馈感应发电机的矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子输出无功的独立调节；网侧变换器通过直流环节完成转子及转子侧变换器与电网间的能量交换。为了减小直流母线电压波动，通常的做法是增大直流侧电解电容的容量，但其缺点是：体积大、笨重而且性能很不可靠，成为大容量励磁电源系统延长寿命的瓶颈。针对减小该滤波电解电容，本文提出了一种新型双PWM变换器协调控制策略。 本文首先在分析双馈感应发电机动态数学模型及其定子磁链定向矢量控制的基础上，构建了其有功和无功功率解耦控制的双闭环串级PI控制方案。利用MATLAB／SIMULINKTM平台，仿真研究并验证了该控制方案的正确性，对实际系统的软硬件设计与调试具有一定的指导意义。 然后，重点分析了三相PWM变换器在同步d—q坐标系中的数学模型，对传统的带电流状态解耦和电网电压前馈的无协调控制策略、负载电流前馈协调控制策略和本文提出的新型协调控制策略进行了对比仿真研究，研究结果表明：新型协调控制策略具有明显的优越性，即在采用同样大小的滤波电容时，直流母线电压波动更小，电压调节更加迅速；在允许同样的电压波动时，如果采用该新型协调控制策略，则可以大大减小滤波电容的容量，具有十分重要的应用价值。 最后，编制了DSP控制程序，并在风电实验室的硬件平台上进行了系统联调。实验表明，作为双馈感应发电机转子励磁电源的三相PWM变换器具有功率因数高、网侧电流谐波小、能量双向流等优点。此外，采用协调控制算法可以提高直流母线电压控制的动态性能，加快了直流侧的功率平衡，直流母线电压波动和恢复时间均有大幅度的减小，实验验证了协调控制算法的正确性及先进性。