【摘 要】
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传统化石燃料被大量开采和使用,导致能源紧张、环境恶化等问题,危及到人类的生活及可持续发展。传统能源的生产及消费方式需要改变,以风能、太阳能为代表的新能源正逐渐成为可持续发展的主要选择。在新能源发展过程中,风能是最早被广泛使用的新能源之一。双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)凭借其工作的稳定性和操控的灵活性而被普遍使用,逐渐成为风力发电的首选机型。
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传统化石燃料被大量开采和使用,导致能源紧张、环境恶化等问题,危及到人类的生活及可持续发展。传统能源的生产及消费方式需要改变,以风能、太阳能为代表的新能源正逐渐成为可持续发展的主要选择。在新能源发展过程中,风能是最早被广泛使用的新能源之一。双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)凭借其工作的稳定性和操控的灵活性而被普遍使用,逐渐成为风力发电的首选机型。风力发电系统通过电力电子变换器连接电网,这使得DFIG不能快速响应电网变化,低惯量和弱阻尼特性的DFIG难以维持电网的稳定性,给电网安全稳定运行带来了巨大的挑战。为解决这个问题,可采用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术,VSG技术模拟出同步发电机(synchronous generator,SG)的运行特性,使双馈风力发电系统具有与SG类似的惯量、阻尼特性,VSG可以为电网提供足够的惯量、阻尼支撑。本文研究了DFIG虚拟同步机的并网控制,主要工作如下:(1)、介绍了选题的背景与研究意义,综述了DFIG和VSG控制技术的研究现状;分析了DFIG及其控制系统的结构与工作原理,包括DFIG功率传递关系、矢量控制原理、SVPWM原理、双PWM变换器原理、电网不平衡时锁相环原理。(2)、建立了风力机、DFIG的数学模型。风力机能够捕获的功率由风速、桨距角及转速等因素决定,可实现最大功率跟踪,当风速过高时,也可采用变桨距角技术来限制捕获功率;分别在三相静止坐标系(6(7(8、同步旋转坐标系(9下建立DFIG的数学模型,包括定子和转子的电压方程、磁链方程及转矩方程。(3)、分析了电网不平衡时的电压矢量特性、建立了锁相环的数学模型。为了能够快速、精确地跟踪电网不平衡时的相位,采用了基于高阶带通滤波器(band pass filter,BPF)的锁相方法,在解耦双同步旋转坐标系(DDSRF)的基础上,在正序αβ分量之后加入高阶BPF进行滤波。在建立了数学模型的基础上,在Matlab/Simulink中建立了仿真模型,对电压跌落、相位跳变、频率改变等电网不平衡情况进行仿真,比较了高阶BPF-PLL以及DDSRF-PLL的锁相性能。在搭建的实验平台上进行实验验证,比较了高阶BPF-PLL以及DDSRF-PLL的锁相性能,仿真和实验结果证明了基于高阶BPF-PLL可以更精确地跟踪电网相位,锁相性能比DDSRF-PLL更好。分析电网不平衡时的功率特性,对无功补偿进行仿真研究。(4)、根据硬件电路,搭建了实验平台,一套控制板作为模拟电网,另一套控制板是采用VSG控制算法的并网逆变器,输出三相电压,两套板子通过接触器连接,当VSG输出的电压与模拟电网电压的幅值、频率、相位相同时,则闭合接触器就可实现并网;根据搭建的实验平台,设计了主程序、锁相环子程序及虚拟同步机子程序流程图。(5)、在原有VSG模型的基础上,改进了VSG模型,提高了VSG的性能。使用有功-频率控制,当电网频率发生变化时,可以调节功率输出;无功-电压控制呈下垂特性,实现了对VSG输出电压幅值的控制。传统VSG的虚拟惯量和阻尼本质上采用的是一阶惯性环节,改进的VSG采用了二阶系统,二阶系统与一阶惯性环节相比,能够提供更大的虚拟惯量。电网平衡和不平衡时,分别对DFIG-VSG进行仿真,改进的VSG能够为电网提供惯量和阻尼,实验验证了VSG的性能。
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