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1、. . . . 风力发电网侧变流器控制策略研究摘 要风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注，网侧变流器在风电机组运行过程中一直扮演着很重要的角色。本文围绕网侧变流器的控制展开研究，以带LCL型滤波器的三相电压型PWM变流器（LCL-VSC）拓扑作为网侧变流器研究对象。首先在平衡电网条件下建立了LCL-VSC的三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，为控制策略分析和控制系统设计提供了理论依据。提出了风力发电应用中具有LCL滤波器的网侧变流器的一种多环控制结构，该结构采用电压外环外加三个逐层利用的电流环，实现稳定的直流电压以与电流的前馈解耦和单位功率因数控制。同时，给出了基于
2、复功率理论的电容电压估计方法，减少了传感器数量。为了在电网不平衡条件下对LCL-VSC有效的控制，必须计算不平衡的正负序相位。本文提出了一种新颖的基于电网不平衡的锁相思路，既可以计算正序相位角也可以计算负序相位角，用于LCL-VSC的不平衡控制。这种方案的主要思路是：先从不平衡电网中提取出正负序分量，然后对正负序三相电压采用SFR-SPLL分别锁相，计算出正负序相位角。建立了在不平衡电网条件下LCL-VSC的数学模型，三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。给出了基于LCL滤波器的不平衡电流指令算法。按照不同的控制要求，可以分别实现了电网不平衡时网侧电流对称控制，或者抑制直流侧二次纹波控制。完成
3、了15kVA的LCL-VSC实验样机平台的搭建和调试。通过仿真和实验结果验证了理论分析与设计的正确性。关键词：风力发电；LCL；VSC；不平衡；多环控制Research onControl Strategy of Grid-side Converter for Wind Power GenerationABSTRACTThe wind power generation is a kind of effective renewable energy source, which is received more and more attention in recent years.The grid
4、-side converter playsa very important role in the wind power generation. This thesis does some research on control strategyof the grid-side converter, taking three-phase voltage source PWM converter with LCL filter (LCL-VSC) asthe object of study. Firstly,underthe balanced voltage condition, LCL-VSC
5、 mathematical model is established in the three-phase static and two-phaserotate coordinates, to provide the theory for the control strategy analysis and the control system design. Then a multiloop control scheme is proposed for LCL-VSC. Within this scheme, 3 cascaded inner current loops along with
6、an outer voltage loop are used to achieve stable dc-link voltage, currents decoupling and feedforward, as well as the unity power factor control. With this scheme, the capacitor voltage estimation is performed with complex power theory resulting the omission of the transducers for the capacitor volt
7、age measurement. To control the LCL-VSC effectively underunbalanced grid condition,the positive and negative sequence phase should be calculated. This thesis proposed a novel phaselockedloop (PLL) based on the unbalanced grid condition, which may calculate the positive sequence phase angle and the n
8、egative sequence phase angle, usedfor LCL-VSCunbalanced control. The main idea of this method is first to draw the posive and negative sequence componentsunderthe unbalanced grid condition, then to get the phases of positive and negative sequence with the SFR-SPLL separately.The LCL-VSC mathematical
9、 model forunbalanced control is established under unbalanced grid condition. The reference current algorithm is given based on the LCL-VSC.For different purposes, it can be realized either symmetrical grid-side current or constant DC-side voltage without twice order ripple.Finally, a 15kVA LCL-VSC e
10、xperimental system is established. The simulation and the experimental result verify the theoretical analysis and the design. Keywords: Wind power generation; LCL; VSC; unbalance; Multi-loop control / 目 录第一章绪论11.1论文的研究背景和选题意义11.1.1风力发电与其意义11.1.2国外风电产业发展概况11.1.3风力发电变流器的产业现状21.1.4论文的选题意义41.2风力发电中的网侧变流
11、器研究现状51.2.1风力发电中的电气系统51.2.2网侧变流器的拓扑结构71.2.3网侧变流器控制策略的研究现状81.3本论文的主要目标和主要工作10第二章基于LCL-VSC网侧变流器建模与控制112.1引言112.2三相LCL-VSC数学模型112.2.1三相静止(a , b, c)坐标系下的数学模型122.2.2两相静止坐标系(D, Q)下的数学模型142.2.3两相旋转坐标系(d, q)下的数学模型152.3LCL-VSC多环控制策略162.3.1系统控制结构182.3.2并网电流指令算法192.3.3电流控制器设计与稳定性校验212.3.4直流电压环控制器设计262.3.5基于复功率
12、理论的电容电压估计272.4多环控制策略仿真与分析282.4.1电流环仿真292.4.2电压环仿真312.5总结31第三章电网不平衡与其关键问题研究323.1引言323.2三相电网不平衡333.2.1电网不平衡理论分析333.2.2不平衡系统的研究方法343.2.3正负序检测363.3软件锁相环（SSFR-SPLL）与其设计413.3.1基本原理413.3.2PLL模型的简化433.3.3参数计算443.4基于双SFR_SPLL在不平衡电网中的应用483.4.1基本结构483.4.2仿真分析493.5总结51第四章 LCL-VSC不平衡控制策略524.1引言524.2不平衡电网下VSC数学模型
13、524.2.1三相静止坐标系(a-b-c)下的数学模型534.2.2同步旋转坐标系(d, q)下的数学模型554.3电网不平衡时电流指令算法584.4双矢量电流控制策略研究614.4.1系统控制结构624.4.2抑制网侧负序电流的控制策略624.4.3抑制直流侧二次纹波的控制策略634.5仿真分析644.6总结65第五章系统设计与实验分析665.1LCL-VSC样机设计665.1.1主电路参数选择675.1.2IPM模块选择675.1.3控制模块处理器的选择685.1.4功能模块电路设计695.1.5试验系统软件设计725.2系统实验结果分析755.2.1平衡电网VSC控制755.2.2不平衡
14、电网与锁相环765.2.3不平衡电网VSC双电流环控制77第六章总结与展望796.1总结796.2展望79参考文献81附录一实验平台86附录二研究生期间发表的论文88插图清单图1-1 世界风力发电装机容量增长示意图1图1-2 变速恒频系统图6图1-3 变速发电不同电气系统组合图6图1-4 风力发电网侧变流器的两种滤波形式7图2-1 三相LCL-VSC原理图12图2-2 三相静止（a, b, c）坐标系中LCL-VSC模型13图2-3 两种坐标变换14图2-4 LCL滤波器的单相等效电路16图2-5 LCL滤波器单相等效结构图16图2-6 忽略电网条件下LCL滤波器单相等效电路17图2-7 LC
15、L传递函数波特图17图2-8 LCL滤波器网侧变流器系统结构图18图2-9 基于dq坐标系的三相VSC控制系统结构19图2-10 LCL-VSC的功率分布图19图2-11 电流环控制结构图21图2-12 i1电流环最环结构22图2-13 无uC扰动时i1电流环最环控制框图22图2-14 未调整时的电流环最环根轨迹与阶跃响应图23图2-15 调整时的电流环最环根轨迹与阶跃响应图23图2-16 电流环最环的开环传递函数波特图23图2-17 滤波器电容电压环控制框图24图2-18 电容电压环根轨迹与阶跃响应图25图2-19 滤波器电容电压环开环传递函数波特图25图2-20 网侧电流环控制框图25图2-21 网侧电流环波特图26图2-22 直流侧电压外环控制框图27图2-23 电流环阶跃响应30图2-24 电流环稳态波形30图2-25 单位功率因数控制31图2-26 直流侧电压阶跃响应31图3-1 对称6相系统的电压向量图33图3-2 三相系统的对称分量34图3-3 正负序在线分序
