电网故障下直驱永磁同步风电系统的持续运行与变流控制

【摘要】：风电作为缓解全球燃油枯竭、气候变暖和环境恶化的一个主要能源形式而受到越来越多国家的重视。随着并网风电容量的不断提高,风力发电机组与电网之间的相互作用也越来越强。一方面,风电机组的运行性能直接影响到所并电网的稳定性和电能质量,另一方面,实际运行中电网故障可能导致风电机组的保护性切机,引起电网的扩大化故障,给电网的稳定运行带来严重的后果。因此从电网的安全角度考虑要求并网运行的风电机组应能满足接入电网的技术规范,要求风电机组能在电网故障下持续运行而不退出电网,即风电机组必须具备低电压穿越(LVRT)能力。本文针对直驱风电系统在不对称电网故障下的持续运行与变流控制进行了研究,全文安排如下： 第1章介绍了风力发电技术的研究现状与发展趋势；介绍了目前风力发电系统中的主要机型,概述了直驱风电系统低电压穿越技术的研究现状。 第2章阐述了风力发电的基本原理、风轮机的功率特性和风轮机功率的控制方法,探讨了风轮机最大风能捕获原理和最大功率输出的控制策略,介绍了3种最大功率点跟踪算法,为直驱风电系统在正常和电网故障情况下控制策略的最优选择提供有效的指导。 第3章在直驱风电系统传统控制策略的基础上,提出一种新的变流器控制策略,并在SIMUlink/MATLAB的环境下对两种控制策略进行了仿真和比较。由于新型控制策略中的功率环调节在网侧,其能量转换的效率较传统控制策略高,系统的响应速度加快,动态特性很好,稳态后各项参数的性能也很优越。同时,新型控制策略在没有采用任何保护措施的情况下,也可使系统具有一定的低电压穿越能力,为电网故障下直驱风电系统变流器的控制提供了一种最优的选择。但传统控制策略比新型控制策略在机侧与直流母线电压的稳定性上更具有优势。然后构建了直驱风电系统实验平台,对风电实验系统各部分装置的软、硬件进行设计,并通过实验对所提出的新型控制策略的性能进行验证。 第4章首先阐述了风电机组的并网要求与直驱风电机组的并网过程,介绍了电网的故障类型,提出了5种提高直驱风电系统低电压穿越能力的措施,接着阐述了抑制振荡的阻尼控制器的设计。最后结合电容保护电路、桨距角调节、直流母线电压调节和电网无功支持等控制策略,给出了实现直驱风电系统低电压穿越的控制结构和仿真模型,并进行了仿真。 第5章首先阐述了锁相环的功能和结构,介绍了直驱风电系统网侧变流器控制的电网同步化要求。接下来对现有的一些同步化方法进行了研究与比较,然后探索出适合于电网不对称故障下的网侧变流器同步化方法。本章对单同步软件锁相环、解耦的双同步坐标系软件锁相环和二阶通用积分器-正交信号发生器软件锁相环的工作原理和性能进行了研究,重点对二阶通用积分器-正交信号发生器同步化方法进行了仿真和实验研究,为直驱风电机组在不对称电网故障下的持续运行提供可靠的信息。 第6章首先给出电网故障下直驱风电系统的控制策略和控制结构,探讨了电网故障下保持直流母线电压恒定的机理,提出了3种不同的电流控制器,在SIMUlink/MATLAB的环境下对3种电流控制器的性能进行了仿真与比较。最后针对本文所提出的新型控制策略和第5章所提出的电网同步化方法,结合低电压穿越控制策略在电网不对称故障下对直驱风电系统的持续运行与控制性能进行了实验验证。 结论部分作为对本论文研究工作的总结,介绍本研究的特点和创新之处,同时指出了进一步研究工作的重点和方向。 【关键词】：直驱 风力发电系统 电网同步化 变流器控制 电网故障穿越 阻尼控制器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315;TM301.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 插图索引13-17
• 附表索引17-18
• 第1章 绪论18-33
• 1.1 课题研究的意义18-19
• 1.2 风力发电技术研究现状与发展趋势19-27
• 1.2.1 风力发电系统的主要机型19-23
• 1.2.2 风力发电技术研究现状23-25
• 1.2.3 风力发电技术发展趋势25-27
• 1.3 电网故障条件下直驱永磁同步风电系统的一般问题27-31
• 1.3.1 直驱永磁风电系统的功率变流器的拓扑结构28
• 1.3.2 电网故障下直驱风电机组的控制模型与控制策略研究28-29
• 1.3.3 电网故障下风电系统的保护措施29-30
• 1.3.4 网侧变流器电网同步化方法的研究30-31
• 1.3.5 快速无功补偿装置的研究31
• 1.4 论文选题的背景及各章节安排31-33
• 第2章 直驱永磁同步风电机组的功率特性与功率控制33-44
• 2.1 风力发电基本原理33-36
• 2.1.1 风轮的空气动力学特性33-34
• 2.1.2 风轮机的功率特性34-36
• 2.2 风轮机的功率控制36-39
• 2.2.1 定桨风轮与变桨风轮36
• 2.2.2 风轮机的功率控制方式36-39
• 2.3 风轮机组功率控制策略39-43
• 2.3.1 额定风速下发电机的控制40-41
• 2.3.2 额定风速以上发电机的控制41-42
• 2.3.3 最大功率点跟踪控制策略42-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第3章 直驱永磁风电系统的变流控制策略44-73
• 3.1 直驱永磁同步风力发电系统的构成与运行原理44-45
• 3.2 直驱永磁同步风力发电系统的控制策略45-65
• 3.2.1 变流器控制策略1(传统控制策略)46-59
• 3.2.2 变流器控制策略2(新型控制策略)59-65
• 3.2.3 两种控制策略的比较65
• 3.3 实验研究65-72
• 3.3.1 实验控制系统的硬件67-69
• 3.3.2 控制系统的软件设计69
• 3.3.3 实验研究69-72
• 3.4 本章小结72-73
• 第4章 直驱永磁风力发电机组的并网技术73-94
• 4.1 风电的并网要求73-77
• 4.1.1 频率和有功功率控制74
• 4.1.2 短路功率级和电压变化74-75
• 4.1.3 无功功率控制75-76
• 4.1.4 闪变76
• 4.1.5 谐波76-77
• 4.1.6 稳定性77
• 4.2 直驱永磁同步风力发电机组的并网过程77-78
• 4.3 直驱永磁风电机系统的低电压穿越技术78-93
• 4.3.1 电网电压跌落概念78-79
• 4.3.2 电网故障下PMSG风轮的低电压穿越措施79-90
• 4.3.3 直驱风力发电系统低电压穿越实现90-93
• 4.4 本章小结93-94
• 第5章 电网故障下网侧变流器的同步化方法研究94-112
• 5.1 风电系统网侧变流器的电网同步化要求94-95
• 5.2 锁相方法95-111
• 5.2.1 开环锁相法95
• 5.2.2 闭环锁相法95-111
• 5.3 本章小结111-112
• 第6章 电网故障下直驱风力发电系统的运行与控制112-126
• 6.1 电网故障下直驱永磁同步风电系统的控制策略112
• 6.2 电网故障下直驱永磁同步风电系统的控制112-121
• 6.2.1 电网故障下直驱永磁同步风电系统的控制结构112-114
• 6.2.2 网侧变流器中的电流控制器114-116
• 6.2.3 不平衡电压下直流母线电压的控制机理116-121
• 6.3 不对称电网故障下直驱风电系统仿真与实验研究121-125
• 6.4 本章小结125-126
• 结论126-129
• 1.工作总结126-127
• 2.未来展望127-129
• 参考文献129-137
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录137-138
• 附录B 攻读学位期间参与科研项目138-139
• 致谢139

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