不平衡及谐波电网下双馈风力发电系统控制技术

随着全球范围内风力发电技术的不断发展以及风力发电系统容量的不断扩大,风力发电系统的输出电能质量和并网运行的安全可靠性能得到广泛的关注。由于风电场大多安装于电网末端,且电网环境中往往包含了非线性负载、三相非平衡负载以及如光伏等单相可再生能源发电单元,因此该电网环境中常存在三相电压不平衡、谐波畸变等非理想条件。为确保电网安全稳定可靠运行以及大规模风力发电系统的运行安全性,我国建立了相应的风电并网技术标准《风电场接入电力系统技术规定》和《风电场接入电网技术规定》,均要求风电系统在所接电网存在不平衡及谐波畸变的非理想运行条件时能持续不脱网运行,且输出风电质量符合标准要求。本文以应用最为广泛的双馈异步感应(DFIG)风电系统在电网三相电压不对称及谐波畸变条件下的运行控制技术为主题,从理论分析、仿真验证和实验验证三个方面地进行了充分、全面、深入、细致的研究,获得了一些创新研究成果。1.研究了双馈风力发电机(DFIG)运行于低次谐波畸变(5次及7次谐波畸变)电网下比例积分谐振调节器(Proportional Integral and Resonant Regulator, PIR)的参数优化设计技术,以提高对DFIG谐波分量的控制精度。在计及DFIG闭环控制中采样和调制等造成控制延时的同时,以闭环控制幅值裕度以及相位裕度作为设计依据,实现PIR参数的优化设计。进一步研究了当谐振带宽参数变化时PIR谐振部分增益参数的设计方法,以确保不同谐振带宽参数时PIR调节器对谐波交流误差信号具有相同的控制能力,提升DFIG在实际谐波电网下的运行性能。2.当DFIG运行于低次谐波畸变(5次及7次谐波畸变)电网下,深入分析了PIR和矢量比例积分调节器(Vector Proportional and Integral Regulator, VPI)对交流误差信号的调节性能,包括通过开环传递函数对比两个调节器的闭环控制稳定性,通过闭环传递函数对比两个调节器的闭环控制稳态精度。研究发现,VPI调节器相比于PIR调节器具有更为优异的闭环控制稳定性以及更为精确的谐波信号调节精度,可进一步提高DFIG在谐波电网下的运行能力。3.研究了DFIG运行于低次谐波畸变(5次及7次谐波畸变)电网下基于VPI的直接功率控制策略,以定子输出有功功率及无功功率平稳无波动为控制目标,提高DFIG在低次谐波畸变电网下的运行性能。此外,通过建立控制系统的传递函数,分析并验证了所提基于VPI的直接功率控制策略具有良好的闭环运行稳定性,优异的闭环控制稳态精度,良好的对电网电压中低次谐波分量的抵抗特性,以及对解耦补偿项中低次谐波分量的抵抗特性,同时也对比并验证了所提直接功率闭环控制相比于转子电流矢量闭环控制具有更为优异的DFIG动态响应能力。4.研究了双馈风力发电系统(DFIG)运行于不平衡及谐波畸变(5次及7次)电网下时的机侧变流器和网侧变流器模块化控制策略,以改善DFIG系统在不平衡及谐波畸变电网下的运行性能。其中,采用基于PI调节器的机侧变流器转子电流矢量控制和网侧变流器网侧电流矢量控制,以及基于VPI调节器的机侧变流器定子输出有功／无功功率或者定子输出电流的直接谐振控制和网侧变流器有功／无功功率或者网侧电流的直接谐振控制,控制目标为1)定子输出有功功率及无功功率和网侧有功功率及无功功率平稳无波动,或者2)定子电流和网侧变流器电流三相对称且正弦。进而研究了当控制目标1时的定子电流以及网侧电流三次谐波分量,以及两个控制目标分别实现时直流母线电压波动分量以及电磁转矩波动分量。5.研究了当双馈风力发电系统(DFIG)运行于广义谐波畸变(5次,7次,11次,13次,17次,19次等)电网下时的基于重复控制调节器的机侧变流器控制策略,改善了DFIG系统在广义谐波畸变电网下的运行性能。针对传统重复控制器的幅值增益随着控制频率的增加而下降的问题,通过加入幅值响应补偿环节,以确保改进后的重复控制器对DFIG转子电流高频谐波信号具有更为优异的调节能力。为提升传统重复控制器在电网频率偏移下对谐波信号的控制能力,研究了基于可调带宽参数的重复控制调节器,从而增强其对电网频率偏移的鲁棒性。此外,当电网电压中包含基频不平衡分量以及谐波不平衡分量时,以消除定子电流中的基频负序分量、正序谐波分量以及负序谐波分量为控制目标,研究了基于重复控制器的DFIG控制技术,最终确保DFIG输出定子电流三相对称且正弦。