永磁直驱风电系统的电网故障穿越策略研究

【摘要】：风能作为一种重要的可再生能源受到了世界各国的高度重视。风力发电作为目前利用风能最有效的形式之一获得了迅速发展。但是随着电网中风电装机容量所占比例的提高,风电场在电网故障时的可靠性对电网的安全稳定运行产生影响也越来越大,为此各国都对风电系统的故障穿越性能提出了严格要求。永磁直驱风力发电技术由于其效率高、适用范围广、易于维护等优点在低风速陆地风电场以及海上风电场中占到了相当大的比例,所以对基于永磁直驱风力发电系统的电网故障穿越策略进行研究具有重要的意义。 本文对基于永磁同步电机的直驱型风力发电系统进行了建模和分析,提出了永磁直驱风电机组的常规控制策略。大功率永磁直驱型风电变流器由于受开关频率较低以及电网电压畸变影响,并网电流中低频谐波含量难以降低,本文提出一种高性能的比例多谐振(P-MR)电流环控制器来提高电流环的谐波抑制能力和跟踪控制性能。本文对该控制器进行了仿真和实验验证,结果表明了该控制器具有较高的谐波抑制和跟踪控制能力。 电网不平衡故障期间常规并网控制方法将产生并网功率低频脉动、风电机组输入输出功率之间不平衡的问题,这些问题都将引起直流电压的波动幅度过大。为在抑制功率脉动的同时保证变流器的最大功率输出,尽量减少功率不平衡的程度,本文提出了最大化网侧变流器有功输出的控制策略。为进一步解决电网故障期间由于电网电压严重跌落造成的不平衡功率过大而直流电压无法稳定的问题,本文提出了基于风力发电机转子动能储能的电机侧变流器控制策略。本文最后对网侧变流器和机侧变流器分别采用上述控制策略的风电机组在各种电网故障下的运行状态进行了仿真验证,结果表明采用所提控制策略的风力发电机组能够安全穿越电网故障保证其稳定运行。 本文最后对所作研究进行了总结和展望,提出了存在的相关问题以及进一步改进的方向。 【关键词】：永磁直驱风力发电 电网故障穿越 功率波动抑制 转子动能储能 比例多谐振控制器(P-MR)
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题的选题背景及意义9-10
• 1.2 永磁直驱风力发电系统的故障穿越技术10-14
• 1.2.1 风机叶片浆距角控制11
• 1.2.2 增大直流侧电容方案11-12
• 1.2.3 直流侧增加Crowbar电路方案12
• 1.2.4 直流母线增加储能电路方案12-13
• 1.2.5 采用并联型无功补偿装置13
• 1.2.6 几种故障穿越策略的比较13-14
• 1.3 本文的主要研究内容14-15
• 2 永磁直驱风电系统建模与控制15-38
• 2.1 风力发电系统的分类15-17
• 2.1.1 笼型异步电机变速恒频风电系统15
• 2.1.2 双馈异步电机变速恒频风电系统15-16
• 2.1.3 无刷双馈电机变速恒频风电系统16
• 2.1.4 直驱永磁电机变速恒频风电系统16-17
• 2.2 风力机模型17-19
• 2.3 电压型PWM变流器建模19-26
• 2.3.1 变流器在三相静止坐标系下的数学模型21-24
• 2.3.2 变流器在两相静止α-β坐标系下的数学模型24-25
• 2.3.3 变流器在旋转d-q坐标系下的数学模型25-26
• 2.4 网侧变流器建模与控制26-32
• 2.4.1 基于电网电压定向的网侧变流器有功无功控制26-28
• 2.4.2 高性能电流控制器的结构28-32
• 2.5 永磁同步电机的建模与控制32-37
• 2.5.1 永磁同步电机的建模33-36
• 2.5.2 永磁同步电机解耦控制策略36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 3 永磁直驱风力发电系统的故障穿越策略38-48
• 3.1 电网电压不平衡时网侧变流器功率分析38-40
• 3.2 最大化有功功率输出的网侧变流器控制40-44
• 3.3 基于转子动能储能的机侧变流器控制44-46
• 3.4 基于网侧最大化有功输出和机侧转子动能储能的故障穿越策略46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 仿真与实验48-58
• 4.1 高性能电流控制器仿真与实验48-51
• 4.2 永磁直驱风电系统的故障穿越策略仿真51-57
• 4.2.1 单相接地故障时的仿真52-54
• 4.2.2 AB相短路故障时的仿真54-55
• 4.2.4 三相接地故障时的仿真55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 5 总结与展望58-60
• 5.1 全文总结58
• 5.2 研究展望58-60
• 参考文献60-66
• 攻读学位期间主要的研究成果66-67
• 致谢67

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