直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)換流系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、在全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的背景下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到了世界各國(guó)的高度重視，在近些年得到了快速的發(fā)展。在目前兩種主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于具有機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、無(wú)需齒輪箱、維護(hù)成本低和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的主要發(fā)展方向之一。隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組容量不斷增加，電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響程度也越來(lái)越大，深入研究直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

2、　　在直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制問(wèn)題中，本文主要研究直驅(qū)風(fēng)機(jī)PWM換流器的非線性控制方法以及在電網(wǎng)非正常運(yùn)行情況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)換流系統(tǒng)的控制策略。由于PWM電壓源型換流器屬于非線性多輸入多輸出系統(tǒng)，常規(guī)雙閉環(huán)PI矢量控制方法存在功率解耦不足、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差及對(duì)模型依賴性強(qiáng)等問(wèn)題，難以取得滿意的控制效果。而在電網(wǎng)出現(xiàn)故障等非正常運(yùn)行條件下，從電網(wǎng)安全運(yùn)行的角度出發(fā)，風(fēng)電機(jī)組需要具備一定的低電壓故障穿越能力和抗擾動(dòng)能力，而直驅(qū)風(fēng)機(jī)的常

3、規(guī)控制是基于電網(wǎng)正常運(yùn)行情況設(shè)計(jì)的，需要研究適應(yīng)電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行條件的優(yōu)化控制方法。綜上，本文以直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)換流系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)中換流器的非線性控制方法以及在電網(wǎng)電壓跌落和不對(duì)稱故障情況下的控制策略進(jìn)行研究。
　　建立完整的直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型是研究并網(wǎng)換流系統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)，為此，本文詳細(xì)建立了直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸系模型、槳距角控制系統(tǒng)模型、永磁同步發(fā)電機(jī)模型和雙端背靠背換流系統(tǒng)模型

4、，并采用矢量控制和前饋補(bǔ)償控制研究了發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)換流器的常規(guī)PI控制策略，仿真結(jié)果表明通過(guò)所建立的常規(guī)控制系統(tǒng)夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)功率追蹤和直流電壓恒定等基本控制目標(biāo)。
　　針對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)換流系統(tǒng)的非線性控制問(wèn)題，本文首先基于微分平坦理論進(jìn)行了研究。根據(jù)微分平坦理論的基本概念，結(jié)合直驅(qū)風(fēng)機(jī)雙端換流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)換流系統(tǒng)的平坦性進(jìn)行了驗(yàn)證，并據(jù)此設(shè)計(jì)了機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的微分平坦控制策略。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)網(wǎng)側(cè)微分平坦控制的誤差反饋補(bǔ)償

5、環(huán)節(jié)進(jìn)行了控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改進(jìn)了基于PI控制的常規(guī)方法。此外，通過(guò)與自抗擾控制相結(jié)合，提出了外環(huán)采用自抗擾控制、內(nèi)環(huán)采用微分平坦控制的網(wǎng)側(cè)換流器復(fù)合非線性控制策略，增強(qiáng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。
　　在直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器的非線性控制方面，本文還以反推設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)研究。一方面，本文采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的總擾動(dòng)量進(jìn)行估計(jì)，并將擾動(dòng)量引入到換流器反推控制律的推導(dǎo)過(guò)程中，提出了網(wǎng)側(cè)基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的反推控制

6、策略，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的總擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償控制，改善外部擾動(dòng)時(shí)直驅(qū)風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性;另一方面，本文將滑模控制方法和反推法進(jìn)行結(jié)合，并考慮到常規(guī)滑模控制存在的高頻抖振問(wèn)題，運(yùn)用非奇異終端滑?？刂品椒ǎ岢隽私Y(jié)合反推控制和終端滑?？刂频木W(wǎng)側(cè)換流器復(fù)合控制策略，并基于Lyapunov穩(wěn)定理論對(duì)復(fù)合控制下直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　為了研究直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障造成電壓跌落期間的低電壓穿越控制策略，本文闡釋了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越

7、的基本概念和直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的基本原理，提出了機(jī)側(cè)分段式轉(zhuǎn)速控制和網(wǎng)側(cè)多模式功率控制相結(jié)合的直驅(qū)風(fēng)機(jī)雙端換流系統(tǒng)聯(lián)合控制策略。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)限制發(fā)電機(jī)輸出的有功，使機(jī)側(cè)有功主動(dòng)追蹤網(wǎng)側(cè)有功的變化趨勢(shì)，而網(wǎng)側(cè)換流器則通過(guò)對(duì)有功、無(wú)功的重新分配起到低電壓期間對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功支撐作用。仿真結(jié)果表明，采用所提控制策略能夠有效提高直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力和對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功支撐能力。
　　針對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱故障條件下直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)有功、

8、無(wú)功功率和直流電壓出現(xiàn)二倍頻振蕩以及直流母線過(guò)電壓的問(wèn)題，常規(guī)的故障穿越控制策略無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多方面的控制目標(biāo)，需基于不同控制目標(biāo)分別計(jì)算控制參考值，本文提出了兩種主控制器和附加控制環(huán)節(jié)相結(jié)合的綜合控制方法。在主控制器中，分別基于Lyapunov漸近穩(wěn)定理論和前饋電流控制方法設(shè)計(jì)了直流電壓優(yōu)化反饋補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)和反映直流母線兩端有功不平衡的前饋控制信號(hào)，并與微分平坦控制相結(jié)合，構(gòu)成了兩種網(wǎng)側(cè)換流器的主控制部分;在附加控制方面，基于同步旋轉(zhuǎn)坐

9、標(biāo)系下的直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型分析了電網(wǎng)不對(duì)稱故障情況下網(wǎng)側(cè)的功率特性，推導(dǎo)了正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中正序分量和負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中負(fù)序分量之間的變換方法，根據(jù)該變換方法和以負(fù)序二次分量表示的直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)二倍頻電壓方程推導(dǎo)了基于有功和無(wú)功二次諧波分量的控制方程，并采用準(zhǔn)比例諧振控制器設(shè)計(jì)了兩種能夠同時(shí)抑制有功和無(wú)功二倍頻振蕩的諧波補(bǔ)償附加控制環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果表明，通過(guò)所提的不對(duì)稱故障穿越控制策略能夠同時(shí)抑制直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功和直流電壓的二倍頻脈動(dòng)，