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在能源短缺和环境污染日益严重的今天,风能作为最重要的替代能源之一引起了越来越多的重视,风力发电技术在世界范围内得到了巨大的发展。交流励磁双馈风力发电系统中的变换器仅需处理双馈发电机的转差功率,减小了变换器的额定容量,降低了应用成本。而且这种发电形式突破了传统机电系统必须严格同步运行的观念,将机电系统之间的刚性连接转变为柔性连接,使得变速恒频双馈风力发电成为国内外研究的热点。本文主要针对变速恒频交流励磁双馈风力发电变换器系统的控制技术进行了深入的研究。
将PWM变换器与双馈感应发电机的内部运行机制有机地结合起来,建立了变速恒频双馈风力发电系统的数学模型,在此模型基础上系统的研究了双馈风力发电系统的非线性因素,为建立双馈风力发电的非线性控制策略奠定了基础。
建立了双馈风力发电系统的状态方程,采用输入输出线性化理论,将双馈风力发电系统进行精确线性化,针对双馈风力发电不同的运行状态,提出了基于输入输出线性化的功率解耦控制策略。在7.5kW风力发电实验平台上进行了实验验证。
系统的分析了三相机端短路状况下,双馈感应发电机定、转子电流的动态响应。提出了一种利用叠加原理和矢量分析求解短路电流的方法,得到了短路电流的解析表达式,并在此基础上研究了转子侧外接Crowbar电路的控制方法,提出了基于正、负序分离的输入输出线性化控制策略以实现双馈风电机组的低电压穿越。在7.5kW风力发电实验平台上进行了采用Crowbar的低电压穿越实验,验证了Crowbar策略的有效性。建立了正、反向同步旋转坐标系下双馈电机模型,将双馈感应发电机的正序部分和负序部分分别使用输入输出线性化解耦控制,以实现双馈风力发电系统的不脱网运行,并且消除功率的波动,减小风电机组传动系统的机械应力,降低直流母线电压的纹波含量以及发出无功功率提高电网运行的稳定性。
设计建造了一套由虚拟风场、风力机模拟系统、双馈感应发电机、主控制器、虚拟仪器以及变换器系统和低电压穿越单元等组成的完整的7.5 kW变速恒频双馈风力发电系统的实验平台。提出了一种基于转子电流和定子电压的关系的转子初始位置误差校正方法。在不增加硬件设备和不改变系统控制策略的基础上,在双馈电机进入到正常的运行阶段之前,对转子位置角的初始误差进行补偿,解决了工程应用上的一个问题,在此基础上完成了空载并网实验。并在该实验平台上进行了风场模拟、风力机模拟、亚同步--同步--超同步运行、最大功率跟踪和功率调节特性等实验,实现了理论到实践的深入研究。