（电力电子与电力传动专业论文）风力发电网侧lclvsr及其电压跌落控制的研究.pdf

r e s e a r c ho l lc o n t r o lo fg r i d s i d el c l v s ra n di t s r e s p o n s e st ov o l t a g ed i pf o rw i n dp o w e r g e n e r a t i o n a b s t r a c t t h eg r i d - s i d ec o n v e r t e rp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，w i t h t h ei n c r e a s eo fs y s t e mp o w e rr a t i n g ，l c lf il t e ra r ei n c r e a s i n g l yb e i n gu s e di ng r i d s i d ec o n v e r t e r a sf o rt h et h i r d o r d e rs y s t e m ，w h o s ec o n t r o li sm o r ec o m p l e xc o n t r o l ，a n ds t a b i l i t y d e c r e a s e t h ec o n t r o ls t r a t e g yc o m m o n l yu s e dc a nn o ta c h i e v et h eg r i d s i d ec u r r e n t d i r e c t c o n t r 0 1 i nr e s p o n s et ot h e s es h o r t c o m i n g s ，f i r s t l y , m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e p h a s ev o l t a g e s o u r c ep w mc o n v e r t e r 、i 廿ll c lf i l t e rf l c l v s c ) i se s t a b l i s h e d t h ei m p a c to fv a r i o u s v a r i a b l e si sb e i n gs t u d i e d ，w h i c hb u i l du pa l la d e q u a t et h e o r yo ff o u n d a t i o nf o rc o n t r o l s t r a t e g yp r o p o s e d b a s i n go nf u l ls t u d y i n go nt h ec o n t r o lo b j e c t ，an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yo fl c l - v s c b a s e do nn o t c hc o n c e p ti sp r o p o s e d i no r d e rt oa c h i e v eag r i d s i d ec u r r e n t d i r e c tc o n t r o l ， t h ef e e d f o r w a r dv a r i a b l e sa r em a d ear e a s o n a b l ec h o i c e b e c a u s et h i sm e t h o dr e q u i r e st h e f i l t e rc a p a c i t o rc u r r e n tv a l u e ，i no r d e rn o t t oi n c r e a s et h en u m b e ro fs e n s o r s ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fv i r t u a lf l u x w h i c hc a l le s t i m a t et h ec a p a c i t i v ec u r r e n t t oo v e r c o m ea n o t h e rp r o b l e mo fg r i d e s i d ec o n v e r t e ri s v o l t a g ed i p w i t ht h e p r o p o r t i o ni n c r e a s i n go fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ni np o w e rg r i d ，t h ep o w e r 酣dd e m a n df o r i n c r e a s i n g l yh i 曲t ow i n dt u r b i n e l o w - v o l t a g et h r o u g ht e c h n o l o g y ( l v r t ) i s o n e i m p o r t a n ti n d i c a t o r t oa c h i e v et h i sc o n t r o ls t r a t e g y , av e r yi m p o r t a n tp o i n ti st h a t u n d e r t h ec o n d i t i o n so ft h ev o l t a g ed i p ，c a l lc o r t r o lt h eg r i d - s i d ec o n v e r t e rv e r yg o o d ，t om a k et h e d cs i d ev o l t a g ei ss t a b l ew i t h i nac e r t a i nr a n g e i nt h i sp a d e r , t h ea c d c - a cs t r u c t u r e c o m m o n l yu s e di nw i n dt u r b i n ei si n t r o d u c e d ，a n di n t r o d u c et h ec o n c e p to fp o w e rb a l a n c ec o n t r 0 1 f o r t h eg e n e r a ld i s t u r b a n c e ，t h em e t h e dc a r lm a i n t a i nac o n s t a n tv o l t a g eo fd c s i d ev e r yg o o d ， a n df o rt h ev o l t a g ed r i p w h i c hi sn o tv e r ys e r i o u s ，i tc a nl i m i td c s i d ev o l t a g ef l u c t u a t i o n c e r t a i n l y , t h ed o u b l e f e dm o t o rc o n t r o lp e r f o r m a n c ec a l lb ee n s u r e ，t oa v o i du n n e c e s s a r y c r o w b a rs w i t c h i n g b a s eo n p o w e rb a l a n c e c o n t r 0 1 t h e - a r t i c l ei n t r o d u c et h em i n i m u m c a p a c i t a n c ed e s i g nt ob ea b l et om a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o rt h ed c s i d ec a p a c i t o r s t oc o n s i d e r c e r t a i ne x t r e m ec o n d i t i o n s w h i c hc a l ll c a dt ot h ea m p l i t u d eo fd c s i d ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ， a n dc o m b i n e dw i t hd e s i g nc o n s t r a i n t s w ec a l lq u i c k l yc a l c u l a t et h e - t h e o r e t i c a lm i n i m u m v a l u eo fd cs i d ec a p a c i t o r i nv o l t a g ed i pc o n t r o l ，c o m b i n i n gw i t ht h ec a p a c i t yo f c o n v e r t e r s ，a p p r o p r i a t i n gt or e l a xt h ed cs i d ec a p a c i t o rd e s i g nm a r g i n s ，w ec a l lf u r t h e r i m p r o v et h ee m d s i d ec o n v e r t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c eu n d e rt h ev o l t a g ed r i ps i t u a t i o n t h i s m e t l l o da l s oh a sag o o dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rp r a c t i c a ls y s t e md e s i g n f i n a l l y ，a15 k v aa c - d c - a ce x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gg r i d s i d ec o n v e r t e r w i t ht h el c lf i l t e r ( l c l v s c la n d1 0 a d s i d ei n v e r t e r o b s e r v a t i o n se a c hv a r i a b l ew a v e f o r m s v v i t l lt h ea c t i v ed a m p i n go rn o t ，t l l er e s u l ti ss a m et ot h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ， w h i c hv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fa c t i v ed a m p i n g ；r e l a t e de x p e r i m e n t so fv o l t a g ed i p c o n t r o la l s ob e e nd o n e w h i c ha l s og i v et h ec o r r e c m e s so ft h et h e o r yi n 也ec e r t a i nd e g r e e k e y w o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；l c l ；n o t c ha l g o r i t h m ；p o w e rb a l a n c ec o n t r o l ； v o l t a g ed i p 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 风力发电常用交直交结构及网侧变流器的两种滤波形式4 图2 1基于l c l 滤波的交直交原理图1 0 图2 2 三相静止( a ，b ，c ) 坐标系中l c l v s c 模型1 1 图2 3 两种坐标变换1 2 图2 4l c l 滤波器的单相等效电路1 4 图2 5l c l 滤波器单相等效结构图1 4 图2 - 6 忽略电网条件下l c l 滤波器单相等效电路1 4 图2 7l c l 传递函数波特图l5 图2 8l c l 滤波器网侧变流器系统结构图1 6 图2 9 简化的电流内环模型1 6 图2 1 0 电流内环波特图1 7 图2 1 1 陷波器结构有源阻尼算法结构简图1 7 图2 1 2k 为不同取值时根轨迹趋势1 9 图2 1 3 d ( s ) 对原系统的影响2 0 图2 1 4 2 0 图2 1 5 2 1 图2 1 6 电网跌落4 0 网侧电流波形2 2 图3 1 交直交结构图= 2 4 图3 2 主从结构示意图2 6 图3 3 主从控制传递函数结构2 7 图3 4d q 解耦控制示意图一2 8 图3 5 两种控制策略比较示意图3 0 图3 - 6 改进负载前馈控制3 3 图3 7 小信号模型结构图3 5 图3 8 小信号模型b o d e 图分析3 6 图3 - 9 稳态时两种功率平衡控制的谐波分析3 9 图3 1 0 逆变负载突变时直流侧电压波形3 9 图3 1 l 电压跌落仿真波形4 0 图4 1 三相v s r 直流电压阶跃响应动态等效电路小4 3 图4 2 三相v s r 直流电流阶跃响应波形4 5 图4 3 突加负载时三相v s r 直流侧动态等效电路4 5 图4 4 直流侧电容最小化计算流程5 2 图4 5 仿真验证5 3 图5 1l c l v s c 样机系统结构5 4 图5 2 智能功率模块的功能结构图一5 5 图5 3 交流电流采样电路原理图5 6 图5 4 交流电压检测一5 6 图5 5 直流量检测5 7 图5 - 6 主程序流程图5 8 图5 7 中断服务程序流程图5 9 图5 - 8 加入有源阻尼前后网侧电流波形一6 0 图5 - 9 电网电流波形及谐波分析一6 0 图5 1 0 桥臂电流和网侧电流波形对比6 0 图5 1 l 电流动态响应6 1 图5 1 2 阻尼值适当条件下电压跌落实验波形6 1 图5 1 3 阻尼值过小条件下电压跌落实验波形6 1 图5 1 4 有源阻尼控制电压跌落实验波形6 2 图5 1 5 逆变负载运行时跌落波形6 2 表格清单 表3 1 3 8 表4 1 j 5 2 表5 1 5 5 独创性声明 本人声明所基交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金g 曼! ：些厶堂或其他教育机构的学何或证f 5 而使删过的 材料。与我同一r 仵的同j 盘对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 签字日期：1 ，吖。年中月、吒 学位论文版权使用授权书 本学位论艾作者完全了解盒a 巴工些厶堂有关保留、使_ i = j 学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部广j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奇阅和借阅。本人授权合肥 ! ：些厶：羔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩 印或扫描筲复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学倪论文住解密后适用本授权i s ) 学倪论文作者签名： 签字日删：。o f 口年伞月o 日 学位论文作者毕业后玄向： l ：作单何： 通讯地址： 导师繇弓 签字同期：矽f d 年年月) 多日 电活： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在两年多的硕士研究 生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。 导师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使 我受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提 高，更重要的是让学生的思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术 上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向张老 师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，在作者的整个课题研究过程中还得到了谢震、杨淑英，刘淳三位博 士的无私帮助，在此表示深深的谢意。感谢实验室一起学习工作的同窗好友们， 他们是：陈欢、李少林、廖军、童诚、黎芹、曾凡超、蒲道杰、朱波、戚振彪 等，在共同的工作、学习和娱乐生活中，我们大家相互了解、相互帮助、相互 进步。和他们在一起，我愉快地度过了紧张而又难忘的研究生生活。此外特别 感谢师姐刘芳和师兄邵文昌在课题研究过程中给予我的帮助。 最后，我要感谢默默支持我的父母、弟弟、祖父、外祖父、祖母、外祖母， 他们对我深深的爱是我不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真 心的祝福! 作者：谭理华 2 0 0 9 年4 月1 5 日 第一章绪论 1 1 研究背景与选题意义 1 1 1 风力发电意义和前景 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨 大，全球的风能约为2 7 4 10 9 b t w ，其中可利用的风能为2x10 7 m w ，比地球上 可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上 的风能储量就有约2 5 3 亿千瓦。 随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2 0 0 4 年以来，全球风 力发电能力翻了一番，2 0 0 6 年至2 0 0 7 年间，全球风能发电装机容量扩大2 7 。 2 0 0 7 年已有9 万兆瓦，这一数字到2 0 1 0 年将是1 6 万兆瓦，图1 1 所示为2 0 0 1 年2 0 0 9 年世界风力发电总装机容量和年装机容量的示意图。预计未来2 0 2 5 年内，世界风能市场每年将递增2 5 。随着技术进步和环保事业的发展，风能 发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。“十五期间，中国的并网风电得 到迅速发展。2 0 0 6 年，中国风电累计装机容量已经达到2 6 0 万千瓦，成为继欧 洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2 0 0 7 年我国风电产业规模 延续暴发式增长态势，截至2 0 0 7 年底全国累计装机约6 0 0 万千瓦。2 0 0 8 年， 全国新增风电装机容量6 3 0 万千瓦，总量达到1 2 3 0 万千瓦，超越印度，仅次于 美国、德国、西班牙。0 9 年中国是风电新增装机容量最多的国家，为1 3 0 0 万 千瓦，连续两年实现了倍增比去年翻番，并有望从世界第四跃居第二。 但是装机量与风力发电量之间的差距并非无足轻重。将风电厂并入国家电 网非常困难和昂贵，因为风电的不稳定性会给电网增加负担。所以，一方面需 要对现有的电网进行改造，令一方面需要不断改进现有的风力发电并网技术。 通用电气高层则表示，风力发电现有的技术仅够支持未来4 年的发展，4 年以 后这个市场就会转向最新的下一代新技术。由此可以看出我们只有在技术上不 断探索、改进，才能使中国真正进入可再生能源大国行列。 图卜l 世界风力发电装机容量增长示意图 1 1 2 电压跌落概述 电网电压的跌落通常是指电力系统中某个点的电压突然跌落10 - - 9 0 ，并 且持续0 5 个周波到l m i n 的时间【l ，2 】。电压跌落依据其形成的原因不同可以 将其划分为三类【3 j ，即电网故障引起的电压跌落、大电机的起动引起的电压跌 落和电机的再加速引起的电压跌落。而按照电压跌落的故障类型可分为三种情 况i l 4 】，即单相接地故障、两相接地故障、相间短路故障以及三相短路。 在现代工业连续生产中，电压瞬间跌落将引起生产企业的产品质量下降， 设备损坏，甚至导致全厂生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。在风力发 电中也是如此，电网跌落通常会导致能量突然变化，而控制系统很难适应这种 突变，导致过电流或者过电压，进而损坏电子器件。对于直驱机组，变流器往 往采用全功率型，只需要对网侧变流器进行适当的控制，即可很好的进行电压 跌落控制，但这种大功率并网变流器造价较高。目前应用较为广泛的双馈机组 在电压跌落时，往往会使得电机侧能量突然增大，如果不能及时将能量释放掉， 则可造成器件毁坏。显然如果电压跌落时，如果能够将风机脱网，就可以很好 的保护风力发电设备，但是随着风力发电在电网中的比例日益增长，目前电力 部门已经制定了一系列标准，要求在电网电压跌落在一定范围，能够维持风机 正常运行，且向电网输送必要的无功，以支撑电网，从而能够防止电网的进一 步恶化。 1 1 3 论文选题意义 随着风力发电装机容量的不断扩大，电力部门对风力发电机( 或者风场) 提出了一系列的要求，对于应对电压跌落的低电压穿越( l v r t ) 控制技术是其 中一项很重要的评价指标。要实现此控制策略，很重要的一点就是在电网电压 跌落条件下能够很好的对网侧变流器进行控制，使得直流侧电压稳定在一定范 围内。本实验室与合肥阳光电源共同承担了“十一五 国家科技支撑计划“大 功率风电机组研制与示范”的重大项目( “1 5 m w 以上双馈式风电机组控制系统 及变流器的研制与产业化( 2 0 0 6 b a a 0 1 a 1 8 ) 。这即是所选课题的来源。 课题的研究目的是在电网电压跌落条件下研究风力发电的网侧变流器控制 策略，使其直流侧电压稳定在一定的范围内，从而满足电压跌落控制的要求。 目前对于电网电压跌落条件下的风力发电研究主要集中在电机侧变流器的研 究，而很少涉及到网侧变流器的研究。在风力发电中，网侧变流器的控制同样 至关重要。因为网侧变流器通过直流母线与发电机侧变流器相联，显然网侧变 流器的控制性能将直接影响发电机的运行控制性能，且在l v r t 技术中，当电网 电压恢复正常时，只有当直流侧电压的波动维持在定范国内，才可以很好的 实现电机正常运行。目前网侧变流器大都采用三相电压型p w m 变流器( v s r ) 电路 拓扑，那么，当电网电压跌落时，如何控制网侧变流器，并使其最大限度地保 2 持直流侧电压的稳定，已经成为风力发电的一个研究热点。同时对于大功率并 网变流器需要合适的滤波电路，l c l 滤波结构目前应用较为广泛，但是由于这 种三阶结构的固有缺陷，将导致系统稳定性降低，因此必须研究加上滤波电路 之后的阻尼算法控制。另外电压跌落会产生大量谐波，更容易导致系统振荡， 阻尼控制的加入在一定程度上也可减轻电压跌落对系统的影响。 签于以上所述，对风力发电网侧l c l - v s r 及其在电压跌落条件的控制研究 具有定的理论前沿性和较高的工程应用价值。 1 2 风力发电网侧变流器研究现状 1 2 1 拓扑结构与参数设计 在风力发电领域交直交拓扑结构目前应用较为广泛，包括并网变流器和电 机控制变流器。由于篇幅及时间限制，本文未对电机控制进行研究，将所研究 的拓扑对象简化为图卜2 ( b ) 结构。实际风力发电系统中的各种发电、电动以 及电网跌落所导致多种能量波动都可以通过此拓扑结构实现，所以基于此拓扑 结构研究的网侧变流器控制策略可很好的适用于实际风力发电系统。网侧变流 器类型主要分为电流型和电压型两种，在本文中着重研究电压型变流器( v s r ) 。 根据相关文献论述p j ，v s r 具有诸多的优点，然而由于v s r 采用的是s p w m 或 s v p w m 调制方式，不可避免的会出现开关频率高频谐波，为了抑制注入到电网 的电流谐波，通常采用滤波电感( l ) 滤波。然而风力发电机功率等级的不断增 加，相应的并网变流器的功率等级也在不断提高。随着变流器功率等级的提高， 采用一阶l 型电感滤波逐步暴露出缺点：在中高功率应用场合，为了降低开关 损耗，开关频率往往较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太 大，这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低，还会带来体积过 大、成本过高等一系列问题【6 】。近年来，不少研究人员对网侧滤波电感的设计 进行了深入研究，并提出了在大功率应用场合采用l c l 滤波器取代l 滤波器的 设计方法，能够使i _ ；c l 滤波器在总电感量小于l 滤波器的情况下，提高网侧电 流谐波的抑制效果 7 - s 】。 p 屯 o n ( a ) 基于l 滤波器的v s c ( b ) 基于l c l 滤波器的v s c 及常用交直交结构 图1 2风力发电常用交直交结构及网侧变流器的两种滤波形式 图1 - 2 ( a ) 所示为基于l 滤波器的v s r ，图1 - 2 ( b ) 左半侧即为基于l c l 滤 波器的v s c 。由图可见，两种网侧v s c 的硬件差异只在于网侧滤波器的不同， 而在控制上l c l 滤波器的v s c 控制较为复杂。为了获得较好的滤波效果，本文 将重点研究具有l c l 滤波器的v s c 控制策略。 对于系统参数的设计，文献 9 已经对交流侧滤波电感及电容的选取给出了 较为详细的论述，具有很好的工程应用价值。但对于直流侧电容的设计，一般 还是沿用单整流器的直流侧电容设计法则。而在大功率风力发电系统中，直流 侧支撑电容主要采用电解电容，但电解电容体积偏大，价格昂贵，寿命也相对 较短，一般不会超过二十年。基于此，针对风力发电系统中常用的交直交结构， 如图1 1 ( b ) 所示，本文详细分析了两种较为常用的功率平衡控制策略，并综 合已有方法的优缺点，提出一种改进的负载前馈策略，可以很好的实现功率平 衡控制，从而降低直流侧电容的储能作用，使得电容在较小的条件下仍能满足 稳压及解耦作用。并在实现功率平衡的基础上，引入直流侧电容最小化设计算 法，能够有效降低电容的使用量。当然如果在此基础上，能够加大电容的设计， 那么在电网电压跌落时，一方面可以更好的实现直流侧电压稳定，另一方面还 可以吸收一部分能量，从而能够缓解并网变流器的输电强度。 1 2 2 阻尼控制策略研究 为了追求更高效率的发电性能，大功率的系统已经成为趋势，传统l 型滤 波变流器已经很难满足这中需求。在中高功率应用场合，为了降低开关损耗， 开关频率往往较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大，这 不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低，还会带来体积过大、成 本过高等一系列问题。因此l c l 结构的滤波器被应用到并网变流器装置，相比 与传统l 型滤波器结构的变流器，这种三阶滤波器，将导致系统出现零阻抗谐 振点。当系统正常运行时( 电网稳定) ，常规的无源阻尼控制【lo 】( 滤波电容串 联电阻) 通过一定的风冷或者水冷系统即可实现系统的稳定。而当发生电压跌 落时，电网中将出现恶劣的暂态过程，此时系统的阻尼已经很难抑制电网中的 谐波。如果通过增加电阻来克服这问题，则会增加系统损耗，发热将更为严 重，甚至影响系统安全运行。为解决电阻损耗、发热问题，一些学者提出用有 4 源阻尼算法代替实际电阻，但目前绝大多数有源阻尼算法都存在一定缺陷，很 难工程化，如：虚拟阻尼算法【l l 】会抬高滤波器高频部分特性，导致滤波器滤波 性能下降；遗传基因算法1 1 2 j 和传统的超前滞后校正算法【1 3 ，都需要复杂的参数 配置或者计算，很难工程实现，超前滞后校正算法还需要增加额外的电压传感 器，增加的系统成本，同时还降低了系统的可靠性：多环控制结构【1 4 。1 6 】会降低 系统带宽设计，在l v r t 过程中很难满足快速响应的需求，而且需要额外的传感 器，降低系统可靠性。此外，上述有源阻尼方案，均未能直接控制网侧电流， 这也就意味着，系统正常运行时，很难实现网侧单位功率因素控制。其存在问 题可以通过多环控制方案解决，然而多环控制所需传感器较多导致系统成本增 加，且多环控制设计较为复杂，一般会降低系统带宽，而设计不当则容易导致 系统不稳定。在l v r t 时需要向电网输送适当的无功，支持电网恢复，因此对网 侧直流直接控制是很有必要的。可以看出l c l 滤波结构的系统阻尼设计已经直 接影响到电压跌落控制的实现。 1 2 3 电压跌落控制研究 不管是直驱风机还是双馈风机，都需要研究并网交流器在电压跌落时候的 控制。直驱电机相对容易，电压跌落时，机侧不会产生能量波动，。而双馈发电 机转子侧会感应出很高的瞬时电压，由于转子电阻蜂和瞬态电感c r l ，很小，如 果转子侧变流器容量不足够大，不能提供足以抵抗转子侧电压的电压值，则转 子侧电流将会很大，转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中脆 弱的半导体变流器件的安全运行构成了威胁【1 , 1 7 - 1 8 】。在电网电压跌落的过渡过 程中，网侧变流器传送功率的能力受到限制，因而对直流母线电压的控制性能 降低，因此在电网电压跌落的动态过程中可能会引起背靠背变流器直流母线电 压的升高，这也严重威胁到半导体变流器件的安全运行 1 9 - 2 4 】。另外，在较高 转速运行下，通常也对应着较大的风能输入，风机承受着较大的机械转矩，在 这种情况下，电网电压的故障势必导致风机转速的上升，更为严重者，在故障 消除后可能导致系统无法恢复正常工作，从而致使系统崩溃【2 5 z 7 1 。为此必须采 取一定的措施，对双馈电机加以控制，以使其具有较强的l v r t 能力。 近年来，随着风力发电技术的发展以及电力部门对风力发电要求的不断提 高，风力发电电压跌落控制技术( 低电压穿越一一l v r t ) 的研究受到了风电界的 广泛关注，目前已有大量文献对风力发电机l v r t 技术进行了研究。l v r t 技术概 括起来可分为两大类：一类是不增加硬件电路的方法，另一类是增加硬件电路 ( 撬棒) 的方法。根据文献 2 8 可知，对于电压跌落幅度小于7 5 的情况，一般 都可以通过对机侧变流器的适当控制，能够将转子侧的能量释放掉。而对于更 恶劣的情况，由于交直交变流器容量的限制，不能将能量及时释放，所以需要 增加硬件，以实现电压跌落控制。如上所述，电网电压通常会因为大型电机的 运行造成跌落，而这种跌落般并不会产生特别严重的电压跌落，此时并不希 望风机进行撬棒投切，这样不利于电能的输送，且不能很好的支撑电网。 对于l v r t 技术，目前研究较多的是机侧变流器，文献 2 8 和 2 9 都是可以 通过相应控制策略，以限制电机转子电流。但是如果这些能量不能通过并网变 流器及时释放，则会导致直流侧电压波动，从而影响电机的控制，形成恶性循 环，不利于电机的进一步控制，此时如果再出现外部扰动，如风速的突变等， 很可能造成直流侧电压超过限幅值。文献 3 0 提出的策略切换方法，可以在一 定程度上改变传统前馈补偿的缺陷，能够较为及时的释放转子侧能量。这种方 法实现较为复杂，需要在检测电压跌落的基础上进行策略投切。如果将功率平 衡控制的思想引入并网变流器控制，无疑是解决这一问题的有效方法。所谓功 率平衡控制是指并网变流器侧控制需要足够快，以满足机侧逆变器功率的各种 波动状态。最普通的功率平衡控制就是传统的负载前馈策略【3 l l ，但实际系统存 在采样延时、控制延时等影响，传统负载前馈控制不能瞬时抵消机侧逆变器的 功率波动，此时直流侧支撑电容就会起到较大的储能作用。那么如果直流侧电 容不够大，就会产生较大的电压波动，进而影响电机的控制性能。另外这种方 法需要检测机侧逆变器的直流端电流，在实际风力发电系统，很难在直流母线 上安装电流互感器。传统的负载前馈控制之所不能很好的实现功率平衡控制， 主要是由控制延时造成的，因为其前馈节点位与电压环，而电压环带宽一般只 有电流内环的三分之一，所以响应很难满足机侧逆变器的功率扰动。前馈的输 入量更需要通过电流环p i 调节器作用，然后才能得到控制输出信号。n a m h oh u r 提出的主从控制可以很好的解决前馈节点问题，他将机侧逆变器作为一个主系 统，而将并网变流器当作从系统。直接对两者的功率进行控制，从而成功的将 前馈节点移如功率内环内部，这样也就避免了内环p i 调节器的延时作用。但这 种方法在系统模型的建立上存在一定的复杂性，在计算主系统功率的微分值时 更是如此。b o n - g w a ng u 提出的电容电流直接控制在系统模型上更为直观，和 传统的整流器控制区别之处仅在于有功电流内环的改变。作者采用直流侧电容 电流替代传统的有功电流内环，无功电流环和传统整流器控制相同。在机侧变 流器电流微分的计算上，b o n g w a ng u 也采用了更为简洁的欧拉算法。这两种 功率平衡控制在本质上是相同的，都是将有功电流环改成电容电流内环，从而 可以成功的把负载电流前馈节点移入内环。 1 3 本论文所做的研究工作 1 3 1 有源阻尼算法研究 如上一节所述，目前常规的无源阻尼和有源阻尼的控制策略虽然能增强系 统的稳定性，但却会增加系统损耗，或者需要额外的传感器，且不能实现网侧 电流直接控制。三环控制策略虽然可以实现网侧电流直接控制，但设计过于复 6 杂，影响系统带宽设计。本文在第二章首先建立了l c l - v s c 三相静止和两相旋转 坐标系下的数学模型，为控制策略的分析提供了理论依据。然后根据现有有源 阻尼方案的不足，对有源阻尼进行了深入研究，比较分析了系统不同变量作为 反馈值，对l c l 变流器控制性能的影响，选择最佳的控制对象，得出一种基于陷 波器理论的新型有源阻尼算法，实现对网侧电流的稳定控制。本文还引入了虚 拟磁链的概念，可以对所需变量进行准确估算，因此不需要增加额外传感器， 增强了系统鲁棒性。此外，本文结合控制系统稳定的约束条件，给出了陷波器 参数的具体设计方法。为了说明所述方法的有效性，分别在第二章和第五章实 验部分给出了仿真和实验结果。 1 3 2 基于功率平衡控制策略抑制电压跌落的影响 本文主要研究三相平衡跌落对双馈风力机组系统的影响，电压跌落会导致 双馈电机转子侧能量突增p 2 l ，而功率平衡控制的引入可以有效释放电机侧的能 量，使得电压跌落控制能够很好的实现。目前常用的功率平衡控制包括：负载 前馈、主从控制、直接电容电流控制。负载前馈控制策略应用最为广泛，但其 存在控制延时等缺陷，以致系统的动态特性不够理想。本文在第三章首先建立 交直交系统数学模型，然后在此基础上详述了主从控制和直接电容电流控制。 对于主从控制，从系统的功率动态特性着手，写出其表达式。然后建立控制系 统传递函数，根据系统稳定约束条件得出所需要的控制结构框图。对直接电容 电流控制的介绍也较为详细，对其控制模型进行了详细分析。方案中所需要的 微分环节构造，在第三章也给出了完整的推导过程，在此章节结尾处给出仿真 验证。但这两种方法都有些许不足之处，并不是对电网电流直接控制，而是将 电流内环改成对电容电流的控制，影响了电流输出品质。在第三章中作者提出 改进的负载前馈控制，这样即可以消除前馈量的控制输出延时，又不会影响电 流输出品质。对于电流微分量的处理，本文也采用了一种较为简单的方法。作 者还对此控制模型进行了小信号分析，以论证所提方法的优越性：最后作者在 仿真和实验两方面论证改进前馈控制策略的可行性，其仿真结果和前两种方法 也形成鲜明对比。以上三种方法都可以实现功率平衡控制，因此可以很好实现 网侧变流器电压跌落控制，在电压跌落深度在一定范围内，能够迅速释放机侧 突变能量，维持直流侧电压的相对稳定，保证电机的正常运行。 1 3 3 电容最小化算法研究 对于系统稳态运行，功率平衡控制可以在一定程度上减小直流侧支撑电容 值，但是并没有给出定量分析，因此不能很好的体现功率平衡控制所具有的优 势，对直流侧电容设计也缺乏指导意义，所以需要对功率平衡控制进行更深入 的研究。本文在第四章首先给出了传统的直流电容设计法则，根据本文所提供 7 的功率等级要求，得出具体的电容值，并在此参数下进行仿真和实验验证。然 后在第四章的后半部分引入电容最小化算法，给出了详细理论分析过程。根据 所推导出的公式，进行程序设计，可以快速的得出直流侧所需的电容最小值。 同样对此方法进行仿真和实验验证，得出的结果和理论分析一致。和传统的电 容设计方法相比较，电容值一般仅为其十分之一。当然如果适当放宽电容设计 裕度，还可以更好的稳定直流侧电压，以利于网侧变流器的电压跌落控制。因 此设计方法对交直交系统的直流侧电容设计具有很好的实际指导意义。 8 第二章网侧l c l v s r 有源阻尼算法研究 2 1 引言 l c l 三阶滤波器已经在风力发电等大功率场合得到广泛的应用，然而由于其 固有的结构特点使得系统存在一个谐振点，导致系统不稳定。从本质上来说， 如果通过某种途径消除其谐振峰值，那么就可以实现系统的稳定。解决这一问 题的思路可以分成三类：1 从工程角度考虑，出现谐振点的原因在于系统缺少 阻尼，在电容或电感上串、并联电阻就可以增加系统的阻尼，从而可以消除系 统的谐振点，虚拟电阻的概念也是如此；2 通过多环控制改变系统结构，间接 增加系统的阻尼，从而达到系统稳定的要求；3 通过算法在谐振点实现一个负 峰值，从而抵消掉系统原有的谐振峰值，实现系统的稳定。 工程上常用的方法是在滤波电容上串联电阻，增加系统阻尼，但这样会降 低系统高频特性曲线的斜率，这就削弱了系统的滤波特性，同时还会在电阻上 产生一定的损耗，降低系统的效率。虚拟阻尼概念的提出，可以有效解决实际 阻尼的损耗及发热问题。但是虚拟阻尼的实现，需要增加额外传感器，在阻尼 算法中还含有微分项，这样会使得噪音放大，影响系统的性能。 文献【15 和【3 3 通过多环控制来改变系统结构，后者还给出了选择内环变量 的定性分析。但是在设计系统时，需遵循外环带宽小于内环带宽准则，那么多 环结构的引入，必然会影响系统的整体带宽设计，+ 限制系统的性能。 超前矫正和基因遗传算法方案，都是通过在谐振点处实现负峰值的思想来 解决l c l 系统的稳定性问题。但这两种方法实现较为复杂，超前矫正需要配置三 个参数，且会影响系统的低频特性，还需要增加额外电压传感器。基因遗传算 法虽然不需要增加额外的传感器，但需要通过复杂的算法才能实现。 本章节利用陷波器概念，通过分析比较，选用滤波电容电流作为反馈量， 仅在其反馈通道上串入一个比例环节，即可构造谐振点负峰值算法，对系统的 高频及低频特性都没有影响。另外，作者引入虚拟磁链的概念，可以很好的估 算电容电流值，这样可以在不增加传感器成本的条件下实现系统的稳定。最后 通过仿真和实验验证了本文所述理论的正确性。 2 2l c l v s c 数学建模 本文所采用的交直交拓扑结构如图2 1 所示，在这章节主要研究具有l c l 型滤波器的三相v s c ，所以仅对l c l v s c 进行详细数学建模，交流逆变侧数学 模型同样可依次描述。其中g l a , b , c 为三相电网电动势，“c 为滤波电容电压，为 直流侧电压，g 、几l g 分别为网侧电感、电阻，j l l 、 分别为桥臂侧电感、电 阻，乙f 为滤波器电容；c 为直流侧电容；s 、- 、c 分别为网侧电流、桥臂侧电 流、电容器电流；为直流侧电流，d c 2 为逆变器侧负载电流。 9 图2 1基于l c l 滤波的交直交