感应电机全功率变换风电机组关键技术研究

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随着环境污染和能源短缺日益严重,风能作为常见的可再生洁净能源,在近年来得到了充分的开发和广泛的应用,风力发电技术也在世界范围内得到了巨大的发展。在各种风力发电机组中,基于鼠笼感应发电机(Squirrel Cage Induction Generator,SCIG)的全功率风力发电机组以其结构简单、可靠性高、维护成本低等优点在风力发电系统中得到了广泛的应用,尤其是在海上风力发电系统。本文以鼠笼型感应发电机全功率风力发电机组为研究目标,对其若干关键技术进行了研究。  1、对鼠笼感应发电机全功率风电机组进行了数学建模,介绍了机组变换器的基本控制原理,同时基于功率信号反馈控制实现机组的最大风能跟踪控制。建立了一台3MW鼠笼感应发电机全功率风电机组的动态仿真模型,对机组的基本控制算法进行了仿真研究,并进行了小功率的实验研究;仿真和实验验证了基本控制算法的正确性。  2、针对电网侧变换器采用LCL滤波器的网侧电压源变换器(LCL Voltage Source Converter,LCL-VSC),提出一种外环采用母线电压平方反馈、内环采用预测电流控制的改进控制策略,改善了网侧VSC的动态特性;实验验证了提出控制算法的正确性。  3、针对LCL-VSC采用阻尼电阻抑制固有谐振而带来的损耗增加问题,对反馈有源阻尼控制和滤波有源阻尼控制进行了研究,在不增加任何额外传感器的条件下,实现了对LCL-VSC的有源阻尼控制,从而可以省去阻尼电阻,有效地提高了整机效率;仿真和实验验证了提出控制算法的正确性。  4、基于虚拟磁链控制思想,将无电网电压传感器技术引入到LCL型网侧变换器控制中,建立了LCL-VSC的简化数学模型,基于二阶广义积分器设计了具有频率自适应能力的电网电压观测器,从而有效地实现了LCL-VSC的无电网电压传感器控制,增加了网侧变换器的运行可靠性;仿真和实验验证了提出控制算法的正确性。  5、研究了电网不平衡故障下网侧LCL-VSC的控制策略,采用二阶广义积分器实现了具有电网频率自适应能力的电网电压正、负序分解,并在两相静止坐标系下基于自适应比例谐振调节器实现了电网电压不平衡下LCL-VSC的控制;仿真和实验结果验证了提出控制算法的正确性。  6、对全功率风电机组的故障穿越问题进行了研究,分析了低电压故障和高电压故障穿越时全功率风电机组输出电流的控制约束,提出了以机侧变换器控制直流母线电压、网侧变换器作为单纯的功率逆变器运行以强迫风力机升速进行暂态储能的控制策略,直流母线卸荷电路作为配合保护装置,实现了全功率变换机组的故障穿越控制方法;仿真结果提出控制算法的正确性。
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