基于比例谐振控制的直驱风电变流系统研究

【摘要】：随着常规能源煤、石油、天然气等越来有限，加上其燃烧过程中造成的严重大气污染，可再生能源越来越受到重视，其中，风能作为发展最快、技术最成熟、开发最具规模的可再生能源，扮演着尤为重要的角色，其开发利用发展迅猛。在各种风力发电系统中，永磁直驱式风力发电系统由于具有无齿轮箱、维护成本低等独有的优势，成为了变速恒频风力发电系统未来发展重要方向之一。 传统控制系统中的电流控制器常采用PI控制器。因其仅能对直流量实现无差跟踪，故需多次坐标旋转变换，增加了控制算法实现的难度，且为获得良好的动态性能，需引入与温度和电路参数有关的交叉耦合项和前馈补偿项，影响了控制系统的鲁棒性。除此以外，采用传统PI控制器进行谐波补偿算法复杂，不易工程实现。而比例谐振控制器（PR）具有能够在静止坐标系下对交流信号进行无静差调节，将其引入控制系统中可克服PI控制器的不足，获得良好控制效果。 本文主要研究基于比例谐振控制的直驱风电变流系统。首先介绍了当前国内外风力发电技术的研究现状。然后，从风能的计算出发，研究了风力机的特性；根据直驱风电系统变流系统的组成，建立了永磁直驱发电机(D-PMSG)的数学模型，研究了PWM变流器的基本结构并推导了其数学模型，在分析变流器能量的传输的基础上对背靠背双PWM中间直流环节的数学模型进行了推导。 接着深入分析了PR控制器原理及其性能特性，并对其进行性能改善，在此基础上提出了一种基于PR控制的直驱永磁同步风力发电变流系统的控制策略，搭建了仿真模型并进行了仿真实验及分析，通过与PI控制方法的对比仿真及分析验证了该策略的有效性及优越性。由于通过将电流进行对称分量法分解发现，当机侧或电网存在谐波情况下，PI控制方法并未能实现很好的跟踪控制，需要复杂的谐波补偿算法，针对此问题，本文将改善性能后的PR控制器引入永磁直驱式风力发电变流系统中，以进行谐波的抑制控制，最终达到改善所发电能的质量的目的。 【关键词】：直驱风电变流系统 矢量控制策略 PR控制 谐波抑制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 风力发电国内外发展现状及发展趋势11-16
• 1.2.1 国外风力发电发展现状12-15
• 1.2.2 我国风力发电发展现状15-16
• 1.3 风力发电主流机型的发展方向16-18
• 1.4 PR 控制器在风电中应用现状18-19
• 1.5 本文主要研究内容及结构安排19-20
• 第2章 直驱风电系统组成及其建模20-30
• 2.1 直驱永磁同步风力发电系统结构20
• 2.2 变速恒频风力发电机组的运行特性20-25
• 2.2.1 风能计算20-21
• 2.2.2 贝茨理论21-22
• 2.2.3 风力机组的运行特性22-25
• 2.3 风力发电系统的数学模型25-29
• 2.3.1 直驱永磁同步发电机的数学模型25-26
• 2.3.2 PWM 变流器数学模型26-28
• 2.3.3 背靠背变流器直流环节数学模型28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 基于 PR 控制的直驱风电变流系统30-55
• 3.1 PR 控制器30-39
• 3.1.1 比例谐振控制器原理30-33
• 3.1.2 PR 控制器的无静差控制理论验证33-34
• 3.1.3 PR 控制器的性能改善34-37
• 3.1.4 改善性能的 PR 控制器设计37-39
• 3.2 基于 PR 控制的直驱风电变流器控制系统39-45
• 3.2.1 基于 PR 控制的机侧 PWM 变流器控制策略40-42
• 3.2.2 基于 PR 控制的网侧 PWM 变流器控制策略42-44
• 3.2.3 总体控制框图44-45
• 3.3 仿真分析45-54
• 3.3.1 直驱风电机侧变流系统控制仿真分析45-50
• 3.3.2 直驱风电网侧变流系统控制仿真分析50-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 PR 控制在直驱风电变流系统中的谐波抑制应用55-66
• 4.1 PR 控制在风电系统谐波消除应用中的重要性55-60
• 4.1.1 dq0 坐标系下的瞬时电流分解55-58
• 4.1.2 基于 PR 控制的谐波抑制策略58-60
• 4.2 基于 PR 控制的机侧 PWM 变流系统谐波补偿性能60
• 4.3 基于 PR 控制的网侧 PWM 变流系统谐波补偿性能60-61
• 4.4 仿真分析61-65
• 4.5 本章小结65-66
• 结论与展望66-68
• 参考文献68-71
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录71-72
• 附录 B 攻读学位期间所参与的项目72-73
• 致谢73

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