应用双级矩阵变换器的双馈风力发电系统集成控制策略的研究

This paper combined with the advantages of the two-stage matrix converter and the AC excitation power generation technology, established a doubly-fed wind power generation system using two-stage matrix converter.For the rectification stage of the two-stage matrix converter input power factor open loop control, research input power factor adaptive control , in order to meet the needs of wind power generation system; in order to ensure the safe operation of power grid and generator,study the fuzzy sliding mode direct voltage synchronization control of the doubly-fed wind power generation system, the realization of soft cut in control; in order to improve the system of power quality, research doubly-fed wind power generation system of adaptive passive control system to ensure robust performance over the entire operating range of any operating point; in view of the grid voltage unbalance can be directly reflected in the output voltage, respectively of the two-stage matrix converter rectifier, inverter achieve improved control, in order to improve the performance of the system. In parallel with the theoretical studies, to build the two-stage matrix converter excited doubly-fed wind power generation system experiment platform and expand the related experimental verification, realize the integrated control strategy of the two-stage matrix converter excited doubly-fed wind power generation system.

本课题结合双级矩阵变换器和交流励磁发电技术的优点，建立了应用双级矩阵变换器的双馈风力发电系统。针对双级矩阵变换器整流级输入功率因数为开环控制，研究输入功率因数的自适应控制方法，以满足风力发电系统的需要；为了保障电网及发电机安全运行，研究双馈风力发电系统模糊滑模直接电压同步并网控制，实现软并网控制；为提高系统发电质量，研究双馈风力发电系统自适应无源性控制，保证系统在整个工作范围内任意工作点的鲁棒性能；针对电网电压不平衡可直接反映到输出电压，分别对双级矩阵变换器整流级、逆变级实现改进控制，以提高系统的运行性能。在进行理论研究的同时，搭建双级矩阵变换器励磁双馈风力发电系统实验平台并展开相关实验验证，实现应用双级矩阵变换器励磁双馈风力发电系统的集成控制策略。

本课题结合双级矩阵变换器和交流励磁发电技术的优点，建立了应用双级矩阵变换器的双馈风力发电系统。双级矩阵变换器的输入滤波器会引起滤波前后电流基频分量的相位差，降低网侧的输入功率因数。提出一种输入功率因数自适应控制方法，从而减小了输入功率因数角，仿真结果验证了所提方案的正确性和有效性；双级矩阵变换器采用双空间电压矢量调制实现整流级和逆变级的控制。通过建立并网前双馈风力发电机的数学模型，应用定子磁链定向转子电流闭环控制策略使双馈风力发电机定子电压跟随电网电压，从而减小并网时的冲击电流。实验结果表明，双级矩阵变换器励磁双馈风力发电系统冲击电流较小，控制策略可行；通过分析交流励磁变速恒频风力发电机组运行特点，将矢量控制技术与滑模变结构控制器结合起来应用于双馈发电机空载并网控制，实验结果表明，在空载并网滑模控制下，能够提高空载定子电压电能质量，双馈风力发电机并网时冲击电流较小；提出双馈异步发电机的比例谐振控制策略，实现双馈风力发电系统的空载并网控制。该方法将转子有功电流和无功电流分量转换到静止坐标系下进行调节，实现双馈风力发电系统的电网同步控制。实验结果表明，提出的控制策略可有效地实现双馈异步发电机的电网同步控制；建立了双馈感应电机的欧拉方程，采用非线性分析方法建立电流误差方程，设计了DFIG的转矩与转速控制器，推导出转子电压控制量。仿真结果表明，所提出的无源性控制能够实现定子侧有功、无功功率的独立调节，但是无源性控制器包含电机参数过多；将反推控制与直接功率结合，从实现功率跟踪的目标着手，进行反推控制器的设计。仿真结果表明，所设计的控制器可以实现对风力发电系统有功功率和无功功率的跟踪，且具有良好的动、静态特性和鲁棒性。当电网电压不平衡时，输出电流波形将直接受到影响，降低了双级矩阵变换器励磁双馈感应发电机的控制性能。为了提高不平衡电网电压条件下双级矩阵变换器励磁DFIG的运行能力，提出了一种转子侧变换器在两相静止坐标系中的比例谐振电流控制，该电流调节器无需进行正、负序分解便可直接调节各种控制目标下DFIG转子电流的正、负序分量。仿真结果表明所提PR电流控制可改善不平衡电网电压条件下双级矩阵变换器励磁双馈感应发电机系统的动态性能，提高系统的不对称故障穿越能力。