發(fā)布時間：2014-12-15 10:01

【摘要】 隨著我國風(fēng)力產(chǎn)業(yè)近年來迅猛發(fā)展,國網(wǎng)公司對于風(fēng)電并網(wǎng)要求尤其是對風(fēng)機(jī)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更加明確的規(guī)定。本文重點(diǎn)對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及低電壓穿越控制進(jìn)行了理論分析和控制策略研究,分析了傳統(tǒng)的crowbar低電壓穿越控制策略存在的問題,在此基礎(chǔ)上研究了基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越策略,同時對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文分析了采用背靠背變流器的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理,以及正常電網(wǎng)電壓下的雙饋電機(jī)在三相坐標(biāo)系以及兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上介紹了經(jīng)典的定子磁鏈定向的電機(jī)矢量控制策略,同時對網(wǎng)側(cè)變流器的電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型以及電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制進(jìn)行了研究。本文重點(diǎn)分析了電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障后的電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型,從數(shù)學(xué)的角度上分析了電機(jī)的暫態(tài)過程,以及零序與負(fù)序分量所造成的危害及影響。并對在對稱跌落下傳統(tǒng)的crowbar控制策略及在不對稱跌落下減小負(fù)序危害的電機(jī)不平衡控制進(jìn)行了研究。本文從電機(jī)暫態(tài)數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā),重點(diǎn)分析了應(yīng)用電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越控制策略,其中定子磁鏈衰減控制可以通過改變轉(zhuǎn)子電流向量的方向?qū)崿F(xiàn)磁鏈的快速衰減,磁鏈追蹤控制可以通過對轉(zhuǎn)子磁鏈的控制實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的抑制,提高了電機(jī)在電網(wǎng)電壓故障下的控制性能。同時文章中通過對故障下無功電流極限輸出能力的計算給出了一種合理的無功電流分配原則。本文還分析了現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的LCL型并網(wǎng)逆變器的控制策略,研究了虛擬阻抗的有源阻尼控制與消除電網(wǎng)電壓擾動影響的狀態(tài)前饋控制策略,提高了其作為網(wǎng)側(cè)變流器的穩(wěn)定性,使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的背靠背變流器控制技術(shù)在應(yīng)對電網(wǎng)故障時有著更高的可靠性。作為對理論分析的驗(yàn)證,本文應(yīng)用MATLAB軟件對1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓正常下以及電壓跌落的不同環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究,在雙饋電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上,對傳統(tǒng)低電壓穿越控制中的crowbar電路控制以及雙dq不平衡控制進(jìn)行了仿真分析。針對crowbar控制策略存在的問題重點(diǎn)對基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越策略進(jìn)行了仿真研究,最后對LCL型的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了電網(wǎng)故障下的仿真研究。 

1引言

1.1課題背景
1.1.1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電背景
上個世紀(jì)70年代以來，由于石油煤炭等等化石能源危機(jī)以及氣候變化的因素影響，能源的可持續(xù)開發(fā)正在慢慢的成為國際中的熱點(diǎn)話題，可再生能源的逐步開發(fā)利用也日益成為了科學(xué)界中的重點(diǎn)研究對象。在進(jìn)入21世紀(jì)以后，能源的安全與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，許多國家將開發(fā)利用新能源技術(shù)作為其能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，同時將其作為緩解能源危機(jī)、減少二氧化碳等溫室氣體排放以及應(yīng)對全球變暖等等氣候變換問題的重要措施，各個國家紛紛出臺相關(guān)目標(biāo)與扶持政策，希望能夠刺激可再生能源的發(fā)展。全球已有35個發(fā)達(dá)國家以及100多個發(fā)展中國家設(shè)立了全國性質(zhì)的可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，同時出臺了相關(guān)法律法規(guī)以及相關(guān)政策來扶持可再生能源的發(fā)展，歐盟甚至做出明確規(guī)定，要求可再f能源在一次能源中所占有的比例要從1997年的6%提高到2010年的12%，在2020年要達(dá)到20%，2050年后要求達(dá)到50%。
可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约俺鄙衬�，該產(chǎn)業(yè)在近年來發(fā)展十分迅速，成為了一種新型能源產(chǎn)業(yè)，具有十分廣闊的前景。在可再生能源中，風(fēng)能是一個非常巨大的資源，風(fēng)能的安全、清潔、充裕等等特點(diǎn)能提供源源不斷并且穩(wěn)定的能源供應(yīng)。很多調(diào)查報告中指出，全球風(fēng)能資源非常豐富，并且在幾乎所有的國家和地區(qū)均有分布，調(diào)查顯示理論上可以轉(zhuǎn)換為電力的風(fēng)能每年約53萬億kWh，這個數(shù)字約為2020年全球電力需求的2倍。風(fēng)能作為最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電方式，上世紀(jì)90年代以來全球風(fēng)電年平均增長率超過30%，已成為發(fā)展最快的新型能源行業(yè)，而隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高以及生產(chǎn)規(guī)模的增長，使風(fēng)力發(fā)電成本逐年下降，風(fēng)力發(fā)電為全球能源經(jīng)濟(jì)向以清潔能源為基礎(chǔ)的模式轉(zhuǎn)型提供了一個良好機(jī)會。目前石油煤炭等化石能源的價格的持續(xù)攀升以及各國對溫室氣體的排放的逐漸控制，進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量持續(xù)增長，正在逐步進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的軌道。在經(jīng)過了多年快速的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電成為了繼火電、水電以及核電之后的另一項(xiàng)主要的發(fā)電電源，牢牢的占據(jù)著其在新能源產(chǎn)業(yè)中的龍頭。數(shù)據(jù)顯示，截止2010年年底，全球風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到199523MW，而其余的新能源產(chǎn)業(yè)如生物發(fā)電約為62000MW,太陽能發(fā)電約為39000MW，地?zé)崮馨l(fā)電約為11000MW⑴。
...........................................

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述
雙饋電機(jī)的概念足大約在20世紀(jì)初期被人提出的，在經(jīng)過了多年的發(fā)展后，雙饋電機(jī)的制造技術(shù)以及控制技術(shù)得到了不斷的提高，同吋應(yīng)丨jj雙饋屯機(jī)的場六也越來越多。現(xiàn)階段的雙饋屯機(jī)結(jié)構(gòu)分為刷雙饋電機(jī)與無刷雙饋電機(jī)。其屮Y]'刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)匈繞線式異步電機(jī)類似，轉(zhuǎn)T側(cè)繞組經(jīng)過沿環(huán)與碳刷引出，而這些結(jié)構(gòu)的存在使得電機(jī)的運(yùn)行成本坊加，柄加了電機(jī)的維修工作量，因此越來越多的研究將M光轉(zhuǎn)移到了無刷式雙饋電機(jī)。丨I前無刷式雙饋電機(jī)主要軒級聯(lián)式雙饋電機(jī)191與獨(dú)立式雙饋電機(jī)_兩種結(jié)構(gòu)，由于無刷式感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)漏感相對較大，因此其在應(yīng)對故障屮的動態(tài)性能相對平緩，無刷式雙饋電機(jī)得到了越來越多的青陳。不過無刷式雙饋電機(jī)也存在一定程度上的不足，1t先對于級聯(lián)式雙饋電機(jī)，山于需要增加一臺額外的控制電機(jī)，使得電機(jī)的運(yùn)行效率在一定程度上存在損耗，而對于獨(dú)立式雙饋電機(jī)，其定子的結(jié)構(gòu)存在一蜜繞組與兩蜜繞組兩種形式，如何對定了側(cè)繞組進(jìn)行合理的布局足需要解決的關(guān)鍵問題。在丨彳前普適應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電I li機(jī)巾所指的雙饋電機(jī)均為打刷型雙饋電機(jī)，下文111提到的“雙饋電機(jī)”在不添加額外說明的情況下，均指的是存刷型雙饋電機(jī)。
.....................................

2雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模及控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及主控系統(tǒng)組成。本文主要討論風(fēng)機(jī)巾發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。現(xiàn)如今雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電變流器已較為成熟，一般為背靠背式變流器，分別為對電機(jī)進(jìn)行控制的電機(jī)側(cè)變流器以及平衡直流電壓同時并網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)變流器。在現(xiàn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于電機(jī)側(cè)變流器一般與轉(zhuǎn)子側(cè)直接相連，因此電機(jī)側(cè)變流器也稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；由于電網(wǎng)側(cè)變流器直接并網(wǎng)且基本結(jié)構(gòu)為PWM整流器，因此其也被稱為并網(wǎng)逆變器，在下文中上述名稱是等效的。本章也將就這兩方面的內(nèi)容進(jìn)行討論。
........................................

2.1雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電機(jī)本身是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)或?qū)ｉT設(shè)計的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與控制策略與異步繞線感應(yīng)電機(jī)類似，由于雙饋電機(jī)可以由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)雙向饋送能量，因此被稱為“雙饋”電機(jī)。雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)由變流器控制，可以對電機(jī)進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，因此雙饋電機(jī)又被稱為交流勵磁同步電機(jī)。
在風(fēng)機(jī)應(yīng)用背靠背變流器并入電網(wǎng)正常工作時，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，由于電機(jī)定子繞組直接與工頻電網(wǎng)相連，因此電機(jī)的定子側(cè)電壓頻率為固定值；而轉(zhuǎn)了繞組通過背靠背變流器并入電網(wǎng)，其變流器的輸出電壓幅值、頻率以及相位皆可調(diào)節(jié)，正是這點(diǎn)使得雙饋電機(jī)的控制方式更為靈活。
由于雙饋電機(jī)類似于交流感應(yīng)電機(jī)，因此可以參考感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)學(xué)方程。
感應(yīng)電機(jī)很重要的特點(diǎn)是定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈在空間中相對靜止，根據(jù)異步感電機(jī)的轉(zhuǎn)差率的定義可知：
其中為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流頻率，為定子側(cè)電壓電流頻率。
當(dāng)感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢，電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的改變。按照轉(zhuǎn)差率的正負(fù)以及大小，可以將感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行方式分為電動狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)及電磁制動狀態(tài)。
.........................................

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù) .......................43-67 
3.1 低電壓穿越技術(shù)簡介 ...............................43-44 
3.2 三相對稱跌落故障中雙饋電機(jī)的傳統(tǒng)控制策略 .................44-51 
3.2.1 跌落故障中雙饋電機(jī)的電磁過渡過程分析 ............44-45 
3.2.2 三相對稱跌落故障中雙饋電機(jī)的動態(tài)響應(yīng) ..............45-49 
3.2.3 低電壓穿越中crowbar電路控制策略 ................49-51 
3.3 三相不對稱跌落故障中雙饋電機(jī)的控制策略 ...................51-57 
3.3.1 三相不對稱跌落故障中雙饋電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)............... 51-55 
3.3.2 不對稱跌落時的轉(zhuǎn)子側(cè)基本控制策略.................. 55-57 
3.4 系統(tǒng)仿真波形及分析 ..............57-67 
3.4.1 對稱跌落故障仿真................... 57-62 
3.4.2 不對稱跌落故障仿真 ...................62-67 
4 基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越技術(shù) ..............67-85 
4.1 基于轉(zhuǎn)子側(cè)的定子磁鏈衰減控制策略........... 67-71 
4.1.1 定子磁鏈衰減控制原理分析 ..............67-69 
4.1.2 定子磁鏈衰減控制的實(shí)現(xiàn)...................... 69-71 
4.2 基于磁鏈追蹤的雙饋電機(jī)低電壓穿越策略 ............71-75 
4.2.1 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制原理分析............ 71-72 
4.2.2 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制的實(shí)現(xiàn)............... 72-75 
4.3 低電壓穿越中的無功補(bǔ)償控制 ..........................75-78 
4.3.1 電機(jī)側(cè)變流器無功電流控制...........................75-76 
4.3.2 電網(wǎng)側(cè)變流器無功電流控制........................76-77 
4.3.3 低電壓穿越中無功電流比例的調(diào)節(jié).................. 77-78 
4.4 系統(tǒng)仿真波形及分析.................... 78-85 
4.4.1 轉(zhuǎn)子側(cè)控制的定子磁鏈衰減仿真....................... 78-80 
4.4.2 基于磁鏈追蹤的低電壓穿越控制仿真 ...................80-82 
4.4.3 低電壓穿越中的無功電流補(bǔ)償控制仿真.................. 82-85 

5 電網(wǎng)側(cè)變流器的低電壓穿越控制策略

前文中重點(diǎn)介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，本章中將分析網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)對電網(wǎng)故障尤其是低電壓故障中的控制策略。通過第二章中對網(wǎng)側(cè)變流器器的分析可以了解到其本質(zhì)上為PWM整流器，而對于一般而言的PWM整流器，其濾波原件為單L型濾波器。而隨著電網(wǎng)電壓的可靠性與電能質(zhì)量在日趨復(fù)雜的電網(wǎng)中越來越受到重視，尤其是在諧波較重或負(fù)載對電壓的需求較為敏感時，對電網(wǎng)中諧波的抑制顯的更加的重要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由高頻開關(guān)引起的高頻諧波對電網(wǎng)中的濾波器提出了更高的要求。由于單L型濾波對高頻的消除作用有限，一種新型的LCL型濾波器得到了越來越多的關(guān)注。LCL濾波器擁有更高的高頻響應(yīng)特性，能夠更好的濾除由于高頻開關(guān)引起的高頻諧波，同時允許用較低的開關(guān)頻率達(dá)到更高的諧波要求，并且擁有更好的減少電磁干擾的效果 H0"43]。
通過第二章的分析可以得知電網(wǎng)電壓的前饋可以很好的應(yīng)對電網(wǎng)跌落故障甚至于網(wǎng)壓畸變所帶來的影響，可是對于LCL型變流器來說簡單的網(wǎng)壓前饋不能得到很好的控制效果，因此分析一種新型的前饋控制來應(yīng)對電網(wǎng)故障是十分必要的，同時由于LCL濾波器屬于高階系統(tǒng)，其控制策略需要重新設(shè)計來適應(yīng)電網(wǎng)的諸多’要求。
.............................

結(jié)論

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究是現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電研究中的一個重要的組成部分，本文以1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)對電機(jī)在低電壓故障下的控制策略進(jìn)行了理論分析以及仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了文章中提到的幾種低電壓穿越控制策略的可行性�，F(xiàn)將論文中的具體工作總結(jié)如下：
1、分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，對電網(wǎng)電壓正常下的雙饋電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析，通過得到的數(shù)學(xué)模型推倒出了雙饋電機(jī)的定子磁鏈定向的矢量控制策略。同時分析了發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變流器的工作原理以及數(shù)學(xué)模型，并介紹了電網(wǎng)電壓定向的電壓電流雙閉環(huán)矢量控制策略。
2、對電機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落情況下的電流電壓及磁鏈方程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從理論上分析了電機(jī)在跌落故障下的過壓過流的原因。并介紹了基本的電機(jī)不平衡控制策略與傳統(tǒng)的crowbar電路低電壓穿越控制策略，分析了 crowbar電阻的選取方式與crowbar電路控制的不足。
3、通過分析電壓跌落過程中的電磁過渡過程與電機(jī)數(shù)學(xué)模型f文章中研究了兩種應(yīng)用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的低電壓穿越控制策略。一個為加速零序磁鏈衰減的定子磁鏈衰減技術(shù)，另一個為減小轉(zhuǎn)子側(cè)過流的定子磁鏈追蹤技術(shù)。這一類控制中均沒有觸發(fā)外部的硬件電路，僅僅是通過添加額外的變流器控制從而提升了雙—饋電機(jī)在應(yīng)對電網(wǎng)跌落故障中的可靠性。
4、針對現(xiàn)如今應(yīng)用更為普遍的LCL濾波器型并網(wǎng)逆變器，文章重點(diǎn)對抑制電感電容諧振的有源阻尼控制以及消除電網(wǎng)電壓干擾的前饋控制策略進(jìn)行了分析，改善了變流器的性能，使其在面對電網(wǎng)電壓故障時的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。
......................................
參考文獻(xiàn):

[1]   2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計[J]. 風(fēng)能. 2013(03)
[2] 李輝,付博,楊超,趙斌,唐顯虎.  雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進(jìn)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報. 2012(22)
[3] 李建林,李建林,李建林,李建林.  可再生能源發(fā)展趨勢[J]. 變頻器世界. 2009(07)
[4] 胡家兵,賀益康,郭曉明,年珩.  不平衡電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化. 2007(14)
[5] 黃守道,王毅,王耀南,李新田.  無刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)與仿真研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2004(01)

本文編號：10280