《本科毕业设计_不平衡电网电压下双馈风机的控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科毕业设计_不平衡电网电压下双馈风机的控制（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、unbalanced grid voltage. The experimental research has proven the correctness of the theory once again. Key words: DFIG；unbalanced grid voltage,； PLL；dual-SRF control目录1绪论11.1课题目的及意义11.2本课题研究现状21.3本文主要研究内容32双馈风电系统数学模型52.1 风速及传动系统数学模型52.1.1风速的数学模型52.1.2传动系统模型62.2双馈风机数学模型72.3 变流器的数学模型83电网电压不平衡时双馈电机的运行
2、特性研究153.1 DFIG风力发电系统结构及运行原理153.2电网不平衡理论173.3双馈电机在电网不平衡情况下的运行状况分析224 电网电压不平衡时DFIG控制策略研究324.1 双馈电机控制系统性能分析324.2电压不平衡情况下双SRF控制364.3系统仿真研究395 结论43参考文献45致谢471绪论1.1 课题目的及意义这几年，由于化石燃料的大量消耗，人类迫切的寻找新能源取代。我国风能很丰富，可利用的风能约为2.53MW。由于我国风能分布比较分散，且多分布于远离华中、华南等繁华地区，这些地区每年有4500小时左右时间风速在3m/s以上，更有些地区年平均风速可达7m/s以上，因此具有很
3、大的经济性以及开发利用价值。改革开放以来，我国经济快速稳定增长，工业化城镇化越来越普及，国民消费水平有了很大的提高，因此对电力的要求增长很快，能源消耗越来越大。目前我国主要电能来源主要形式是火力发电。由于政策和结构方向的调整，近几年风力发电所占的份额越来越大。到2013年底，我国新增加风电装机容量13GW，而风电总装机容量达到76GW，达到世界第一，占全球风电总装机容量的26.8%；风电并网总量达到61000MW，发电量达1004亿千瓦时。2012年，中国政府出台了风电发展“十二五”规划，确定了未来风电发展方向：到2015年投入运行的风电装机容量达到1亿千瓦，到2020年2亿千瓦。因此，利用风
4、能进行发电作为一种高利用价值的发电方式，所以风能发电发展迅速，也研究并投入了很多种风能发电系统。而热门研究对象是由双馈感应电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)构成的兆瓦级恒频风力发电系统的应用1。目前，有关如何控制DFIG变换器的研究，一般都是假设在电网电压平衡的情况；但是在实际情况下，风力发电过程中经常会有电网电压不平衡的问题，如果不采取不平衡电网电压下适当的控制措施，将导致双馈风机运行异常。主要表现在:三相绕组发热不均而引起过流；功率和电磁转矩出现2倍频，干扰系统的正常运行，产生噪声的电磁转矩脉动还会导致发电机的部件受损3。本文研究了电网电压不平衡
5、条件下时，双馈风机转子侧和网侧变流器的控制，并都采用了双电流控制，即同步参考坐标系中的正，负序同步旋转坐标系，分别控制正序分量和负序分量，设计这种控制系统比较容易，但电压和电流中负序分量需要检测出来，因此系统会更复杂，为了对无功功率和转矩脉动的抑制建议使用正序的比例谐振器5。简单的结构使得这只能应用在在转子侧转换器的控制，并且不能同时抑制有功和无功功率脉动。1.2 本课题研究现状双馈风力发电系统中感应发电机定子绕组通过变压器直接连接到电网，电网电压出现不平衡时，机组的正常运行就会受到直接的影响。风电场往往位于风能资源丰富的地区，这些地方通常比较偏僻，当地电网薄弱，时有发生电网电压不平衡情况。在
6、正常情况下，三相不平衡负载，线路阻抗的不平衡和其它因素可导致风力涡轮机网点的电压不平衡。此外，控制系统电压检测通道不一致有时也导致不平衡。双馈感应发电机组受电网电压不平衡的影响很大，如果不采取适当的措施来控制失衡，更小的电网电压不平衡会导致定子和转子电流更大的不平衡，同时也为双馈电机的电磁转矩和定子活跃和无功功率的影响，然后在定子和转子侧有源功率失衡增加几乎线性增加。电流不平衡可能会导致绕组受热不均,可能会造成局部过热影响电机绕组的绝缘效果,转.矩脉动会对风力涡轮机的轴系统造成一定的机械应力的影响，减小轴系统的工作寿命，严重时可能损害风力发电机组、传动轴和齿轮箱等机械设备；此外，电能质量还会受
7、到功率波动的干扰，严重影响电网的稳定性6。电力系统电压.不平衡还影响网侧转换器，使得DC总线电压存在某些程度的二倍频波动，这会导致频繁的直流电容器充电和放电时，直流电容器寿命的影响。当电网电压严重不平衡，上述情况已变得更为严重，针对风电系统自身的安全，有时需要风电机组从电力系统移除，大型风电系统容量并网运行，风电系统从.电网切除对整个电网的稳定性将产生较大的影响。因此，当电网电压.不平衡时，重要的是如何提高双馈机组的控制策略，以提高它的性能。目前，有很多文献研究改进电网电压不平衡时双馈异步风力发电系统的控制策略，以提高操作性能和电能质量。文献7提出一种适用于不平衡电网电压条件下的电流控制器，在
8、正序同步旋转坐标系中使用传统的解耦控制方法设计主控制器，在负序旋转坐标系中设计辅助控制器调节负序转子电流。该控制方案在电网正常运行时，完全等效于基于电网正常运行前提下的矢量控制策略。同时建立了电网电压不平衡工况下双馈感应发电机在正、负序同步旋转坐标系中的正、负序数学模型，推导了电网电压不平衡工况下双馈感应发电机电磁转矩、定子有功功率和无功功率的表达式，在此基础上设计了双d-q电流控制器，分别在正、负序同步旋转坐标系中实现对正、负序转子电流的控制；根据不同的计算原则产生的转子负序电流指令值，分别可实现定子输出电流平衡、消除定子有功功率波动、消除电磁转矩和定子无功功率波动、消除转子负序电流等控制目
9、标。转子侧变换器控制变量有限，因此有学者提出将双d-q电流比例积分(PI)调节控制策略应用于网侧变换器，既可实现网侧变换器更佳的控制效果，也可与转子侧变换器协同控制以实现整个系统的更为优化的运行目标，如实现整个系统输出总有功或无功功率无2倍频脉动，或无负序电流注入电网等。基于正、负序分量分离的双d-q电流 PI 调节控制策略能有效增强双馈感应风力发电系统在电网电压不平衡条件下的整体运行性能，但必要的正、负序分量分离所带来的延时会影响整个控制系统的动态性能。因此，也有很多学者在探索和研究各种无需正、负序分量分离即可实现整个DFIG 机组在不平衡电网电压条件下优化运行的控制方案。文献8将静止坐标轴
10、系下的比例+谐振(P+R)控制器或同步旋转坐标轴系下的比例积分+谐振(PI+R)控制器移植到双馈感应风力发电系统的控制中，在无需提取转子电流正、负序分量的情况下，利用谐振控制器实现了对转子侧及网侧变换器正、负序电流给定指令的无差控制10。本文采用串联网侧变换器注入电压负序分量以使定子电压对称，提出了在不平衡电网电压条件下基于串联网侧变换器的 DFIG 系统控制策略；在实现DFIG电磁转矩、直流母线电压及系统总输出有功功率无2倍频波动的同时，使DFIG定、转子三相电流平衡。该方法不用改变转子侧变换器的控制策略并且无需求解复杂高阶矩阵，但该方法增加了硬件，提高了成本。1.3 本文主要研究内容与具体
11、项目相结合，为完成2MW双馈机组变流器控制系统设计，本文针对双馈感应风力发电机组正常稳定运行控制策略展开了深入研究；在此基础上，对电网电压不平衡，采用传统电网电压定向矢量控制方式时，DFIG定子负序和非零序三次谐波电流问题进行了研究，并提出相应抑制策略11。主要内容如下：(1)首先针对正常情况下双馈型风力发电系统的工作原理展开研究。建立网侧变换器的详细数学模型，提出其稳定直流电压并可适当调节无功的稳态控制策略；建立双馈感应风力发电机的数学模型，阐述其基于定子电压定向的有功无功解耦控制策略及空载软并网控制策略；为后续工作奠定基础。(2)针对电网电压不平衡时的正负序分离方法展开研究，分析当被检测的
12、不平衡信号存在干扰时，传统瞬时对称分量法分离正负序过程中的缺陷，进而提出改进方法。(3)详细分析电网电压不平衡时，采用传统定子电压定向矢量控制方式时， DFIG 定子绕组负序和非零序三次谐波电流的产生原因，进而建立DFIG在负序和三次谐波同步旋转轴系下的数学模型，在此基础上，提出抑制定子负序和非零序三次谐波电流的改进控制策略，并通过仿真进行验证。(4)完成双馈感应风力发电机组网侧变换器和转子侧变换器的控制系统设计；为验证所设计的控制系统合理性，针对一台2MW双馈风力发电机的基本运行功能进行仿真测试。2双馈风电系统数学模型2.1 风速及传动系统数学模型2.1.1 风速的数学模型自然界的风速是复杂
13、的、时变的。近年来随着风电技术的发展，对可利用风能资源的研究也引起了学术界的重视，先后出现了一些关于风速预测与模拟的方案。通常以概率密度的形式对风速加以描述。一般认为风速有四部分组成，即基本风速（mean wind speed）、渐变风速（wind speed ramp）、阵风（wind gust）和噪声风（turbulence），其中基本风速用以描述特定风场的稳态能量，渐变风用以描述风场稳态能量随时间的缓慢变化过程，阵风和噪声风用以描述风场风能的扰动和不确定因素13。但这种风速模拟参数的选取较为困难，不易实际操作。为简化分析，本文采用了风速的工程化数学模型，如式（2.1）所示，该模型不仅能够
14、反映风速平均值的变化，而且能够反映风速的随机性，同时该模型便于实施模拟运算。（2.1）式中，是t时刻的风速，是某一时间里的平均风速，是谐波频率，是谐波幅值，和谐波频率的关系如下：（2.2）式中，为谐波频率采样步长，是密度函数，可表示为（2.3）式中，为噪声强度，为湍流长度，大小与地表光滑程度相关。利用上述工程模拟方案对风速的实时模拟结果如图2.1所示。图2.1 模拟实时风速2.1.2 传动系统模型风力机机械转矩满足公式（2.4）式中,为空气密度,；R为风力机转子半径,为风速,m/s；为桨叶的桨距角，；为叶尖速比，为风力机转子的转速rad/s；为功率系数。风力机捕获功率:（2.5）由式（2.4,
15、2.5）可知当风速一定时，的大小取决于的大小。仿真过程中采用查表方法建立与和的关系，并需要保证只有当风速在允许的范围在325m/s时，风力机才输出功率。传动系统采用更接近实际运行的柔性轴模型，其数学模型为：（2.6）式中，为发电机转子转速，rad/s；=/N，N为转化比，为电磁转矩，；为阻尼系数，J为机组等效转动惯量，。2.2 双馈风机数学模型DFIG 是一个多变量、强耦合的高阶非线性系统，为便于分析，对电机本体作如下假设14:(1)忽略空间谐波，定转子三相绕组对称，空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；(2)忽略磁路饱和和电机铁心损耗；(3)忽略电机频率及温度变化对绕组电阻的影响；双馈电机的数学模型包括电压方程、磁链方程、电磁转矩方程等。定、转子的各物理量正方向均按照电动机惯例选取，转子绕组参数均折算到定子侧。设 d-q 坐标系以同步速度旋转且 q 轴超前于 d 轴，则 DFIG 发电机在 d-q同步旋转轴系下的数学模型为（2.7）磁链方程为：（2.8）式中：，为定转子绕组等效电阻；，为定、转子绕组自感及互感；，为 d、q 轴定、转子电压；，为 d、q 轴定、转子电流；，为 d、q 轴定、转子磁链；为同步角速度，为转差率
