直驱永磁同步风电机组并网变换器关键技术研究

【摘要】：风力发电已经成为解决世界能源短缺的重要途径，越来越受到世界各国的重视。在当今两种主流的风力发电机型中，直驱永磁同步风力发电机组具有结构较简单，发电效率较高，以及运行可靠性好等优点，已成为现代大型变速恒频风电机组主要的发展方向之一。本论文主要针对直驱永磁同步风电机组并网变换器的若干关键技术进行了深入地研究。论文所取得的主要成果如下： ①从系统的角度对直驱永磁同步风电机组进行了数学建模。比较了几种最大风能跟踪控制的典型算法，结合永磁同步风电机组的功率—转速特性，基于功率信号反馈控制，给出了一种适用于该型机组的最大风能跟踪控制算法。建立了一台2MW直驱永磁同步风电机组的系统仿真模型，仿真验证了所建系统仿真模型的合理性和最大风能跟踪控制算法的正确性。 ②详细分析了采用传统控制策略时全功率并网变换器直流侧电压波动机理，提出了电网侧变换器和电机侧变换器的协调控制策略实现电网电压正常情况下直流侧电压的稳定。该控制策略将永磁同步发电机输出有功功率信息纳入电网侧变换器的控制当中，在发电机运行状态发生改变的时候及时调整网侧有功电流分量，从而保证输入至电网的有功功率能够及时跟踪永磁同步发电机输出有功功率的变化。通过仿真及实验，证明了所提控制策略的正确性和有效性。 ③为优化额定风速以上直驱永磁同步风电机组的功率输出，提出利用机组巨大的转动惯量，同时协调永磁同步发电机的功率控制和变桨距控制，平抑直驱风电机组的功率输出波动。结合低于额定风速时基于转速反馈的最大风能跟踪控制，进一步提出了全风况下直驱永磁同步风电机组的双模功率控制策略。仿真对比结果表明，采用提出的双模功率控制策略，直驱永磁同步风电机组的有功功率输出更为平稳。 ④分析了电机参数误差对矢量控制系统的影响。为有利工程实际应用，提出一种简单有效的永磁同步电机参数在线辨识算法。该算法利用因参数误差导致的补偿电压项—电流环PI调节器的输出，迅速、准确地确定出待辨识参数值。仿真和实验研究结果表明，控制系统稳定后，电流环PI调节器输出为零，大大减轻了电流环PI调节器的负担，有利于提高兆瓦级永磁同步发电机的控制性能。 ⑤建立了不平衡电网电压条件下的电网侧变换器模型，分析了并网电抗器上功率波动对电网侧变换器不对称控制策略的影响。提出了一种增强的直流侧电压控制策略，抑制小值电网电压不平衡时直流侧电压的2倍频波动。网侧电流指令的求解避免了复杂的矩阵变换，计算相对简单。仿真结果表明：相对于采用传统平衡控制策略的方案而言，增强的直流侧电压控制策略能够有效的抑制直流侧电压的2倍频波动，网侧有功功率波动幅度也相对减小；同时降低了注入至电网的电流总谐波含量。 ⑥以电网不对称故障为研究重点，计及并网电抗器上的功率波动，并考虑电网电流的限制，按照网侧有功功率无2倍频波动为控制目标，提出了采用直流侧电压弱控制的电网侧变换器的改进控制策略。在此基础上，进一步提出了适用于直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行控制策略。该故障穿越控制策略无需借助额外的硬件保护电路，根据电网故障导致的电网电压跌落深度，同步降低永磁同步发电机输出的有功功率，实现并网变换器两侧功率的基本平衡。所提故障穿越运行控制策略，能够适应不同的电网故障类型，并且在故障中均能对电网提供一定的无功支持。仿真结果表明，该控制策略显著增强了直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行能力。 【关键词】：风力发电 永磁同步发电机 并网变换器 功率优化 故障穿越
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 可再生能源11
• 1.2 风力发电技术进展11-14
• 1.2.1 风力发电现状11-12
• 1.2.2 两种主流机型及技术特点12-14
• 1.3 直驱永磁同步风力发电机组及其控制策略研究现状14-21
• 1.3.1 主要并网拓扑结构及其技术特点14-16
• 1.3.2 电网正常情况下直驱永磁同步风力发电机组的控制16-21
• 1.4 电网非正常情况下直驱永磁同步风电机组的运行与控制研究现状21-25
• 1.4.1 电网电压不平衡时全功率并网变换器的控制策略22-23
• 1.4.2 直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行控制策略23-25
• 1.5 本文研究的主要内容25-27
• 2 直驱永磁同步风电机组建模及最大风能跟踪控制27-41
• 2.1 引言27
• 2.2 直驱永磁同步风电机组的基本组成27-28
• 2.3 直驱永磁同步风力发电机组建模28-31
• 2.3.1 风轮机及传动链模型28
• 2.3.2 变桨距执行机构模型28-29
• 2.3.3 永磁同步电机数学模型29-30
• 2.3.4 永磁同步电机转子磁场定向矢量控制30-31
• 2.4 最大风能跟踪控制模式31-36
• 2.4.1 风力发电机组稳定运行区及最大功率曲线31-32
• 2.4.2 几种 MPPT 控制策略分析32-35
• 2.4.3 基于最优功率给定的 MPPT 控制策略实现35-36
• 2.5 直驱永磁同步风力发电机组的系统仿真研究36-39
• 2.6 小结39-41
• 3 电网侧变换器与电机侧变换器的协调控制策略研究41-61
• 3.1 引言41
• 3.2 电网侧变换器的建模与控制41-47
• 3.2.1 电网侧变换器运行机理分析42-43
• 3.2.2 同步旋转坐标系下电网侧变换器的数学模型43-45
• 3.2.3 电网侧变换器电网电压定向控制45-47
• 3.3 电网侧变换器与电机侧变换器的协调控制策略47-49
• 3.3.1 直驱永磁同步风力发电机组运行特性分析47-48
• 3.3.2 基于协调控制思想的电网侧变换器改进控制策略48-49
• 3.4 电网侧变换器与电机侧变换器协调控制的仿真研究49-55
• 3.5 实验对比验证55-59
• 3.6 小结59-61
• 4 全风况下直驱永磁同步风电机组的功率优化控制策略61-77
• 4.1 引言61
• 4.2 带变桨距控制的变速风力发电机组功率流分析61-63
• 4.3 直驱永磁同步发电机全风况控制策略63-66
• 4.3.1 基于转速反馈的最大风能跟踪控制63-64
• 4.3.2 变桨距控制64-66
• 4.3.3 功率平稳输出66
• 4.4 直驱永磁同步风力发电机组的双模功率控制策略66-69
• 4.4.1 转速控制模式67
• 4.4.2 功率平稳控制模式67-68
• 4.4.3 两种控制模式之间的平滑切换68-69
• 4.5 基于双模功率控制的直驱永磁同步风电机组的仿真研究69-75
• 4.5.1 随机风模拟69-70
• 4.5.2 仿真对比结果70-75
• 4.6 小结75-77
• 5 永磁同步风力发电机参数在线辨识方法研究77-87
• 5.1 引言77
• 5.2 电机参数误差对矢量控制系统的影响77-78
• 5.3 参数在线辨识方法研究78-82
• 5.3.1 几种参数在线估计方法79-80
• 5.3.2 基于电流环 PI 调节器输出的参数在线辨识方法80-82
• 5.4 应用参数在线辨识的永磁同步发电机仿真研究82-84
• 5.5 基于参数在线辨识的永磁同步电机实验验证84-85
• 5.6 小结85-87
• 6 直驱永磁同步风电机组故障穿越运行控制策略研究87-117
• 6.1 引言87-88
• 6.2 电网电压不平衡时全功率并网变换器的运行及分析88-94
• 6.2.1 不对称电磁量的对称分量表达88-90
• 6.2.2 不平衡电网电压条件下的电网侧变换器模型90-91
• 6.2.3 不平衡电网电压条件下电网侧变换器的常规控制91-92
• 6.2.4 考虑并网电抗器影响的功率特性分析92-94
• 6.3 电网电压不平衡时增强的直流侧电压控制策略94-100
• 6.3.1 负序电流指令值计算94
• 6.3.2 电量的正负序分离94-97
• 6.3.3 仿真对比验证及分析97-100
• 6.4 直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行控制策略100-115
• 6.4.1 考虑电流限制的电流指令值计算101-102
• 6.4.2 电网故障情况下的电机侧变换器控制102
• 6.4.3 带前馈的直流侧电压弱控制102-104
• 6.4.4 仿真对比验证及分析104-115
• 6.5 小结115-117
• 7 结论117-119
• 致谢119-121
• 参考文献121-131
• 附录131

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