直驅永磁同步風電機組并網變換器關鍵技術研究

【摘要】：風力發(fā)電已經成為解決世界能源短缺的重要途徑，越來越受到世界各國的重視。在當今兩種主流的風力發(fā)電機型中，直驅永磁同步風力發(fā)電機組具有結構較簡單，發(fā)電效率較高，以及運行可靠性好等優(yōu)點，已成為現代大型變速恒頻風電機組主要的發(fā)展方向之一。本論文主要針對直驅永磁同步風電機組并網變換器的若干關鍵技術進行了深入地研究。論文所取得的主要成果如下： ①從系統的角度對直驅永磁同步風電機組進行了數學建模。比較了幾種最大風能跟蹤控制的典型算法，結合永磁同步風電機組的功率—轉速特性，基于功率信號反饋控制，給出了一種適用于該型機組的最大風能跟蹤控制算法。建立了一臺2MW直驅永磁同步風電機組的系統仿真模型，仿真驗證了所建系統仿真模型的合理性和最大風能跟蹤控制算法的正確性。 ②詳細分析了采用傳統控制策略時全功率并網變換器直流側電壓波動機理，提出了電網側變換器和電機側變換器的協調控制策略實現電網電壓正常情況下直流側電壓的穩(wěn)定。該控制策略將永磁同步發(fā)電機輸出有功功率信息納入電網側變換器的控制當中，在發(fā)電機運行狀態(tài)發(fā)生改變的時候及時調整網側有功電流分量，從而保證輸入至電網的有功功率能夠及時跟蹤永磁同步發(fā)電機輸出有功功率的變化。通過仿真及實驗，證明了所提控制策略的正確性和有效性。 ③為優(yōu)化額定風速以上直驅永磁同步風電機組的功率輸出，提出利用機組巨大的轉動慣量，同時協調永磁同步發(fā)電機的功率控制和變槳距控制，平抑直驅風電機組的功率輸出波動。結合低于額定風速時基于轉速反饋的最大風能跟蹤控制，進一步提出了全風況下直驅永磁同步風電機組的雙模功率控制策略。仿真對比結果表明，采用提出的雙模功率控制策略，直驅永磁同步風電機組的有功功率輸出更為平穩(wěn)。 ④分析了電機參數誤差對矢量控制系統的影響。為有利工程實際應用，提出一種簡單有效的永磁同步電機參數在線辨識算法。該算法利用因參數誤差導致的補償電壓項—電流環(huán)PI調節(jié)器的輸出，迅速、準確地確定出待辨識參數值。仿真和實驗研究結果表明，控制系統穩(wěn)定后，電流環(huán)PI調節(jié)器輸出為零，大大減輕了電流環(huán)PI調節(jié)器的負擔，有利于提高兆瓦級永磁同步發(fā)電機的控制性能。 ⑤建立了不平衡電網電壓條件下的電網側變換器模型，分析了并網電抗器上功率波動對電網側變換器不對稱控制策略的影響。提出了一種增強的直流側電壓控制策略，抑制小值電網電壓不平衡時直流側電壓的2倍頻波動。網側電流指令的求解避免了復雜的矩陣變換，計算相對簡單。仿真結果表明：相對于采用傳統平衡控制策略的方案而言，增強的直流側電壓控制策略能夠有效的抑制直流側電壓的2倍頻波動，網側有功功率波動幅度也相對減小；同時降低了注入至電網的電流總諧波含量。 ⑥以電網不對稱故障為研究重點，計及并網電抗器上的功率波動，并考慮電網電流的限制，按照網側有功功率無2倍頻波動為控制目標，提出了采用直流側電壓弱控制的電網側變換器的改進控制策略。在此基礎上，進一步提出了適用于直驅永磁同步風電機組的故障穿越運行控制策略。該故障穿越控制策略無需借助額外的硬件保護電路，根據電網故障導致的電網電壓跌落深度，同步降低永磁同步發(fā)電機輸出的有功功率，實現并網變換器兩側功率的基本平衡。所提故障穿越運行控制策略，能夠適應不同的電網故障類型，并且在故障中均能對電網提供一定的無功支持。仿真結果表明，該控制策略顯著增強了直驅永磁同步風電機組的故障穿越運行能力。 【關鍵詞】：風力發(fā)電 永磁同步發(fā)電機 并網變換器 功率優(yōu)化 故障穿越
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 緒論11-27
• 1.1 可再生能源11
• 1.2 風力發(fā)電技術進展11-14
• 1.2.1 風力發(fā)電現狀11-12
• 1.2.2 兩種主流機型及技術特點12-14
• 1.3 直驅永磁同步風力發(fā)電機組及其控制策略研究現狀14-21
• 1.3.1 主要并網拓撲結構及其技術特點14-16
• 1.3.2 電網正常情況下直驅永磁同步風力發(fā)電機組的控制16-21
• 1.4 電網非正常情況下直驅永磁同步風電機組的運行與控制研究現狀21-25
• 1.4.1 電網電壓不平衡時全功率并網變換器的控制策略22-23
• 1.4.2 直驅永磁同步風電機組的故障穿越運行控制策略23-25
• 1.5 本文研究的主要內容25-27
• 2 直驅永磁同步風電機組建模及最大風能跟蹤控制27-41
• 2.1 引言27
• 2.2 直驅永磁同步風電機組的基本組成27-28
• 2.3 直驅永磁同步風力發(fā)電機組建模28-31
• 2.3.1 風輪機及傳動鏈模型28
• 2.3.2 變槳距執(zhí)行機構模型28-29
• 2.3.3 永磁同步電機數學模型29-30
• 2.3.4 永磁同步電機轉子磁場定向矢量控制30-31
• 2.4 最大風能跟蹤控制模式31-36
• 2.4.1 風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行區(qū)及最大功率曲線31-32
• 2.4.2 幾種 MPPT 控制策略分析32-35
• 2.4.3 基于最優(yōu)功率給定的 MPPT 控制策略實現35-36
• 2.5 直驅永磁同步風力發(fā)電機組的系統仿真研究36-39
• 2.6 小結39-41
• 3 電網側變換器與電機側變換器的協調控制策略研究41-61
• 3.1 引言41
• 3.2 電網側變換器的建模與控制41-47
• 3.2.1 電網側變換器運行機理分析42-43
• 3.2.2 同步旋轉坐標系下電網側變換器的數學模型43-45
• 3.2.3 電網側變換器電網電壓定向控制45-47
• 3.3 電網側變換器與電機側變換器的協調控制策略47-49
• 3.3.1 直驅永磁同步風力發(fā)電機組運行特性分析47-48
• 3.3.2 基于協調控制思想的電網側變換器改進控制策略48-49
• 3.4 電網側變換器與電機側變換器協調控制的仿真研究49-55
• 3.5 實驗對比驗證55-59
• 3.6 小結59-61
• 4 全風況下直驅永磁同步風電機組的功率優(yōu)化控制策略61-77
• 4.1 引言61
• 4.2 帶變槳距控制的變速風力發(fā)電機組功率流分析61-63
• 4.3 直驅永磁同步發(fā)電機全風況控制策略63-66
• 4.3.1 基于轉速反饋的最大風能跟蹤控制63-64
• 4.3.2 變槳距控制64-66
• 4.3.3 功率平穩(wěn)輸出66
• 4.4 直驅永磁同步風力發(fā)電機組的雙模功率控制策略66-69
• 4.4.1 轉速控制模式67
• 4.4.2 功率平穩(wěn)控制模式67-68
• 4.4.3 兩種控制模式之間的平滑切換68-69
• 4.5 基于雙模功率控制的直驅永磁同步風電機組的仿真研究69-75
• 4.5.1 隨機風模擬69-70
• 4.5.2 仿真對比結果70-75
• 4.6 小結75-77
• 5 永磁同步風力發(fā)電機參數在線辨識方法研究77-87
• 5.1 引言77
• 5.2 電機參數誤差對矢量控制系統的影響77-78
• 5.3 參數在線辨識方法研究78-82
• 5.3.1 幾種參數在線估計方法79-80
• 5.3.2 基于電流環(huán) PI 調節(jié)器輸出的參數在線辨識方法80-82
• 5.4 應用參數在線辨識的永磁同步發(fā)電機仿真研究82-84
• 5.5 基于參數在線辨識的永磁同步電機實驗驗證84-85
• 5.6 小結85-87
• 6 直驅永磁同步風電機組故障穿越運行控制策略研究87-117
• 6.1 引言87-88
• 6.2 電網電壓不平衡時全功率并網變換器的運行及分析88-94
• 6.2.1 不對稱電磁量的對稱分量表達88-90
• 6.2.2 不平衡電網電壓條件下的電網側變換器模型90-91
• 6.2.3 不平衡電網電壓條件下電網側變換器的常規(guī)控制91-92
• 6.2.4 考慮并網電抗器影響的功率特性分析92-94
• 6.3 電網電壓不平衡時增強的直流側電壓控制策略94-100
• 6.3.1 負序電流指令值計算94
• 6.3.2 電量的正負序分離94-97
• 6.3.3 仿真對比驗證及分析97-100
• 6.4 直驅永磁同步風電機組的故障穿越運行控制策略100-115
• 6.4.1 考慮電流限制的電流指令值計算101-102
• 6.4.2 電網故障情況下的電機側變換器控制102
• 6.4.3 帶前饋的直流側電壓弱控制102-104
• 6.4.4 仿真對比驗證及分析104-115
• 6.5 小結115-117
• 7 結論117-119
• 致謝119-121
• 參考文獻121-131
• 附錄131

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