双馈风力发电变流器控制策略研究

化石能源的日益枯竭以及大量化石能源的使用所产生的一系列环境和生态问题，使得清洁可再生能源的开发利用成为必然。风能作为一种储量丰富的可再生能源，有着巨大的开发潜能。风力发电作为开发利用风能资源的一种有效形式，成为当前新能源领域关注的焦点。作为当前兆瓦级主导机型的双馈型风力发电机相比于全功率风力发电机而言，其突出优势在于其驱动变流器容量较小，通常仅为机组容量的30%左右。这有效降低了变流器成本和硬件设计难度，但也正是这一特点使得双馈风力发电机与电网之间有着较强的耦合性，使其变流器控制较为复杂。而良好的控制系统是风力发电机运行性能的保障，鉴于此，本文围绕变速恒频双馈型风力发电系统及其相关控制技术展开研究。 首先，在简要叙述双馈电机工作原理和特点的基础上，建立了双馈电机及其驱动变流器的数学模型，以此为基础研究了双馈电机转子侧变流器控制策略，并设计完成了基于定子电压矢量定向的双馈电机矢量控制系统，实现了发电机定子侧有功功率和无功功率的独立解耦控制，为后文双馈风力发电系统低电压穿越问题的分析和仿真研究奠定了基础。 其次，以双馈电机数学模型为基础，对电网电压跌落时双馈电机的暂态响应特性进行了理论分析和仿真验证。结果表明,电压跌落会激起双馈电机的电磁暂态过程，并且若不能采取及时有效的措施，较大的电磁暂态过程中会产生较大的电压和电流，进而威胁到变流器及系统的安全运行。为满足电力运行部门对风电机组的低电压穿越要求，并确保变流器及风机的安全，通常采用撬棒保护电路旁路变流器并维持风力发电机的并网运行，这一方案也是当前研究和应用的主要方案。鉴于此，本文对基于撬棒保护电路的双馈型风力发电系统低电压穿越方案进行了研究，并对影响其运行效果的主要因素进行了仿真和分析。 再次，尽管优化设计的撬棒保护电路能够维持双馈风力发电机在低电压穿越过程中的不脱网运行，但一旦撬棒动作，转子侧变流器被旁路，双馈电机将转变为普通笼型异步电机模式运行，这不仅没能充分发挥双馈风力发电机变流控制的灵活性而且不利于电力系统的电压稳定。鉴于此，本文对双馈电机驱动用背靠背变流器的网侧变流器和转子侧变流器进行协同优化控制的控制思想进行了初探，力求充分利用双馈电机变流器控制的灵活性，提高风电机组的低电压穿越性能，促进电网电压的稳定。 最后，以15kW双馈型风力发电机实验室模拟机组为对象,设计完成了其驱动用背靠背变流器，开发了基于DSP28335控制芯片的控制算法，并完成了初步实验。