变速恒频风力发电系统运行与控制研究

在能源短缺和环境污染日益严重的今天,作为可再生绿色能源的风能的开发利用具有十分重要的意义。对此,世界各国普遍重视并竞相大力发展,技术上推陈出新。随着风力发电机组容量的不断增大,提高运行效率、最大程度地利用风能已经成为风力发电技术研究的重要内容。可实现最大风能追踪的变速恒频风力发电技术也就称为研究的热点。 本文以交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制为主题,进行了从理论到实践、从仿真到实验的全面、深入的研究。在DFIG(双馈型异步发电机)的运行理论、最大风能追踪机理、DFIG有功、无功功率解耦控制及并网控制、双PWM型变换器特性等方面进行了细致的研究,获得了一些重要结论和具有创新意义的成果。 本文首先对DFIG的运行理论进行了分析,对DFIG数学模型、坐标变换、运行特性及功率关系进行了理论推导,为全文的研究奠定了理论基础。其次,在介绍了风力机特性的基础上,确定了采用DFIG功率控制来实现最大风能追踪的实施方案,该方案无需检测风速,实现简单,动态性能和鲁棒性较好。探索了DFIG参考功率的计算方法,建立了基于最大风能追踪和DFIG运行优化的参考有功功率和参考无功功率计算模型。基于最大风能追踪的需要,将磁场定向矢量控制技术应用到DFIG运行控制上,形成了基于定子磁链定向的DFIG有功、无功功率解耦控制策略。再次,在分析了现有风力发电机并网技术的基础上,探讨了交流励磁变速恒频风力发电机的并网控制,建立了基于磁场定向矢量控制、不受转速变化影响的空载和负载两种“柔性”并网控制方案。最后,在DFIG转子励磁电源的研究中,分析了双PWM型变换器的特点、机侧变换器和网侧变换器在功能和控制上的异同。重点讨论基于电网电压定向矢量控制技术的网侧变换器的控制方法,以期实现网侧变换器交流侧单位功率因数控制和直流环节电压控制。 仿真研究中,在建立了风力机和DFIG仿真模型的基础上,构建了完整的交流励磁变速恒频风力发电系统仿真模型,它通过并网和发电两个子系统的“分时工作”,实现了从并网控制到最大风能追踪控制的全过程运行仿真。实验研究中,探讨了采用直流电动机模拟风力机特性的方法,构建了由两个DSP,一台PC机组成的主从式交流励磁变速恒频风力发电实验系统,完成了有功、无功功率解耦控制、最大风能追踪控制、空载并网控制及网侧变换器控制等实验内容。丰富、详实的仿真及实验研究结果验证了本文理论研究的正确性。