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电网电压不平衡双馈感应风力发电机组的自抗扰控制(一)

时间:2015-01-12 10:37来源:未知 作者:admin 点击:
本文提出电网电压不平衡工况下双馈感应电机(DFIG)的自抗扰控制(ADRC)方法, 抑制不平衡电压引起的电磁转矩和无功功率波动, 延长风力发电机组的工作寿命. 在正、负序同步旋转坐标系中推导了电网电压不平衡工况下DFIG的电磁转矩表达式, 计算出消除电磁转矩波动所需的负序转

     本文提出电网电压不平衡工况下双馈感应电机(DFIG)的自抗扰控制(ADRC)方法, 抑制不平衡电压引起的电磁转矩和无功功率波动, 延长风力发电机组的工作寿命. 在正、负序同步旋转坐标系中推导了电网电压不平衡工况下DFIG的电磁转矩表达式, 计算出消除电磁转矩波动所需的负序转子电流, 将其叠加到正序转子电流参考值上,以减小电磁转矩波动. 采用ADRC实现对转子电流的有效控制, 减少控制器对发电机精确模型的依赖, 提高控制系统的鲁棒性. 仿真结果表明所提出的控制方案有效地减小了电网电压不平衡工况下DFIG的电磁转矩和无功功率波动, 同时减小了不平衡电流, 有利于延长DFIG风力发电机组的工作寿命.


     1 引言(Introduction)


     由于化石能源的不断消耗和生态环境的日益恶化, 世界各国越来越重视以风能为代表的各类可再生能源的开发[1].


     基于双馈感应电机(DFIG)的变速恒频风力发电机组, 具有可独立调节电磁转矩和无功功率、实现最大风能捕获、减小传动链机械应力、提高输出电能质量、并能向电网提供必要的电压和频率支撑等优点. 与其他变速恒频风力发电机组相比, 其功率变换器只需传递滑差功率, 从而降低了风力发电机组的成本. 因此, DFIG在风力发电领域得到了广泛的应用.


     关于DFIG风力发电机组在电网正常情况下的控制策略, 国内外已进行了深入的研究, 实现了功率解耦和最大风能捕获控制[2]. 近年来, DFIG在电网故障下的运行控制成为国外研究的新热点[3–4], 国内也有学者对此进行了研究[5–6], 但主要围绕电网对称故障的情况.


     风力发电机组常安装在边远地区, 通常是长输电线的末端, 即使在电网正常运行的情况下, 也可能由于不平衡输电线阻抗、三相不平衡负载、单相大功率负载等原因, 造成风电场接入点处的三相电压不平衡. 由于感应电机的负序阻抗远小于正序阻抗, 如果在DFIG风力发电机组控制器设计时没有考虑不平衡电压的影响, 即使很小的不平衡电压也会产生较大的不平衡电流, 并且使电机的转矩和功率以2倍电网频率波动, 影响风力机组的工作寿命和电网的稳定运行[7], 传统的风电场在电压不平衡达到一定程度的时候将切出电网, 这将会进一步削弱电网, 而且使风能的利用率大大降低. 从电网安全稳定运行和提高能源利用率的角度出发, 要求风电机组在电网电压不平衡的情况下能尽量的维持与电网的连接. 文献[8]通过控制网侧变换器以提供类似STATCOM的功能, 减小电压的不平衡程度, 但不涉及发电机本身的控制. 文献[9–10]在正、负序同步旋转坐标下分别设计了基于定子电压定向的正、负序转子电流控制器, 以实现对定子电流不平衡、功率波动、电磁转矩波动的抑制.


     由于建模过程中的理想化假设、参数辨识过程中的实验误差、运行过程中的温升和励磁饱和等因素, DFIG的实际模型与标称模型存在一定的偏差,因此有必要设计不依赖发电机精确模型的控制器.本文基于正、负序同步旋转坐标系下DFIG模型,推导了电网电压不平衡时电磁转矩2倍频成分的表达式, 计算出抵消电磁转矩波动所需的负序转子电流, 将其叠加到正序转子电流参考值上, 以抑制电磁转矩波动. 引入自抗扰控制器(ADRC)对矢量控制进行改进, 利用ADRC的优越特性实现对转子电流的有效控制, 减少控制器对发电机精确模型的依赖, 提高鲁棒性. 通过对一个9MW的DFIG风力发电机组在暂态和稳态不平衡电网电压条件下的仿真, 验证了所提出控制算法的有效性.

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