永磁直驱风电系统网侧变流器控制策略研究

【摘要】：永磁直驱风电系统采用背靠背双PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)全功率变流器并网，不仅省去了易坏部件齿轮箱，又易于实现电网故障期间风电系统的不间断并网运行，因此得到了广泛研究。网侧变流器是背靠背双PWM全功率变流器的一部分，是永磁直驱风电系统与电网的接口，其控制目标主要是在稳定直流侧电容电压的同时，根据电网对能量的需要，实现有功和无功能量解耦输出。 首先，比较了永磁直驱同步风电系统和双馈异步风电系统的优缺点，介绍了永磁直驱风电系统网侧变流器的主流控制技术，并说明了风电机组低电压穿越的必要性和研究现状。经简要分析了基于双PWM全功率变流器的永磁直驱风电系统拓扑结构和工作原理后，建立了PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator,永磁同步发电机)的数学模型以及网侧变流器在abc三相静止坐标系下的开关函数数学模型和两相同步旋转坐标系下的数学模型。 其次，在电网电压正常情况下，网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制策略，构建了电压外环和双电流内环，电压外环和电流内环通过两相同步旋转坐标系下的PI控制器实现无静差跟踪控制，完成了控制器的参数设计。对该控制策略在Matlab/Simulink环境下进行仿真验证，仿真结果表明，网侧变流器既可以实现单位功率因数逆变运行，也可以根据无功电流设定输出无功功率，且输出电流正弦度较高，谐波含量满足并网电流总谐波畸变率小于5%的规定。 最后，为了研究网侧变流器在电网电压跌落时的控制策略，分析了其在电网电压跌落情况下的特性。当电网电压跌落时，由于瞬时功率不平衡引起直流侧电容电压上升，针对这一问题，通过构建功率外环和采用卸荷电路的方法稳定直流侧电容电压。对该控制方法在Matlab/Simulink环境下进行仿真验证，仿真结果表明，在电网电压跌落至额定值的20%时，直流侧电容电压升高幅度控制在2.62%以内，有效保护了直流侧电容。同时在电网电压跌落期间，通过使网侧变流器运行于无功补偿模式下，重新分配有功和无功电流，根据电网电压跌落深度快速向电网输出无功，电网电压跌落深度为20%和80%的仿真结果表明，该控制策略可以根据电网电压跌落深度实现无功功率的输出，为电网提供无功支持，提高系统低电压穿越能力。 【关键词】：永磁直驱风电系统 网侧变流器 电压定向矢量控制 低电压穿越
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 选题背景及研究意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 主要研究工作内容10-12
• 2 永磁直驱风电系统相关理论12-18
• 2.1 坐标变换理论12-13
• 2.2 永磁同步发电机数学模型13-14
• 2.3 网侧变流器数学模型14-18
• 3 电网电压正常时的控制策略及仿真研究18-32
• 3.1 基于电网电压定向的矢量控制策略18-23
• 3.1.1 电流前馈解耦控制18-19
• 3.1.2 电流内环设计19-21
• 3.1.3 电压外环设计21-23
• 3.2 仿真建模与仿真分析23-32
• 3.2.1 系统仿真模型23-27
• 3.2.2 仿真结果分析27-32
• 4 电网电压跌落时的控制策略及仿真研究32-48
• 4.1 电网电压跌落下系统特性分析32-35
• 4.1.1 低电压穿越概述和相关标准32-34
• 4.1.2 电网电压跌落时系统特性分析34-35
• 4.2 永磁直驱风电系统低电压穿越控制策略35-41
• 4.2.1 功率外环设计35-37
• 4.2.2 卸荷电路设计37-39
• 4.2.3 无功补偿模式39-41
• 4.3 仿真建模与仿真分析41-48
• 4.3.1 系统仿真模型41-42
• 4.3.2 仿真结果分析42-48
• 结论48-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-53
• 攻读学位期间的研究成果53

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