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基于CSC永磁直驱风力发电系统协调控制方法与策略研究

作　者: 赖纪东
导　师: 丁明
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 风力发电直驱永磁同步发电机电流源型变流器
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

永磁直驱式风力发电系统具有结构简单、发电效率高、运行可靠性高及维护成本低等优点,是目前风力发电技术领域的一个重要研究方向。本文针对基于电流源型变流器(CSC)永磁直驱风力发电系统,鉴于电流源型变流器与电压源型变流器自身存在的差别,从提高系统运行效率及可靠性角度出发,针对运行电流优化系统协调控制方案、低电压穿越协调控制策略及并网控制策略等方面展开研究,本文主要研究工作及创新点概括如下：深入调研了全球风电产业历史与现状、风力发电技术发展历史与现状以及直驱式永磁风力发电系统研究现状,指出了围绕基于cSC永磁直驱风力发电系统研究的几个关键点。针对本文研究所关注重点,建立了基于电流源型变流器永磁直驱风力发电系统各主要部件数学模型。对电流型变流器SVPWM调制算法进行了详细研究,给出了一种易于数字实现的扇区判断方法及矢量作用时间计算方法,对几种主要SVPWM调制方法进行了仿真分析。提出了一种全工况运行电流最优化系统协调控制策略。根据电流源型变流器直流链对外呈电流源特性,深入研究了不同风速条件下发电机定子电流及并网电流变化规律,分别推导了满足机侧控制要求的最小直流电流,以及满足网侧控制要求的最小直流电流计算公式,找出了变流器可正常运行的最小直流电流边界条件。同时结合对系统动静态特性的研究,提出了一种全工况下运行电流最优化系统协调控制策略,使系统在不同运行工况下均保持最佳电流大小运行。基于该控制策略,在Matlab/Simulink仿真环境下建立了相应的系统仿真模型,仿真结果验证了所提电流优化协调控制方案的正确性和有效性。针对目前由于电网电压含有大量谐波易影响并网电能质量情况,提出了一种电流内环变结构电网电压矢量定向并网控制策略。深入比较研究了几种常规并网控制策略,着重剖析了一般电网电压矢量定向并网控制对谐波电流难以有效抑制的根本原因,提出了一种电流内环变结构的解决方案。通过在电流环增加谐振控制器方式,实现对谐波分量几乎无差控制。证明了该控制方法既可确保对基波良好控制性能,又可对谐波进行很好地抑制。对该控制器参数进行了设计,给出了详细的设计过程。仿真结果验证了该控制策略的正确性和有效性。提出了一套基于发电机功率输出控制的模式切换低电压穿越系统协调控制策略。重点比较分析了几种直驱风电系统低电压穿越控制方案,基于限制发电机功率输出实现低电压穿越控制思想,推导了发电机转速上升率与电网电压跌落深度之间关系表达式,提出了一种依据电网电压跌落深度进行并网有功参考电流和无功参考电流再分配的控制算法。结合机侧整流器对发电机转速控制,提出了一套通过监控电网电压实现变流器工作模式灵活切换的低电压穿越协调控制方案。通过实时监控电网状态,动态切换变流器控制系统中的直流电流控制环及转速控制环,确保系统在电网正常时仅向电网注入有功功率,而在电网出现跌落故障时切换至静止同步无功补偿模式,根据电网电压跌落深度向电网提供相应无功支持。基于该模式切换控制策略建立了系统仿真模型,仿真结果验证了所提控制方案的正确性和有效性。基于对永磁直驱风力发电系统的理论和仿真研究,在实验室建立了一套相应的风力发电系统模拟实验平台,专门研制了一台电流源型变流器,设计了与变流器相关的软硬件系统,并在实验平台上进行了大量实验,实验结果验证了相关理论分析和仿真结果的正确性。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
致谢  12-21
第一章绪论  21-35
  1.1 风电产业发展历史与现状  21-24
    1.1.1 全球风电产业发展历史与现状  21-22
    1.1.2 我国风力资源及风电产业发展历史与现状  22-24
  1.2 风力发电技术发展历史与现状  24-26
  1.3 直驱式风力发电系统研究现状  26-32
    1.3.1 国内外直驱式风力发电产业现状  26-27
    1.3.2 直驱式风力发电技术研究现状  27-28
    1.3.3 基于CSC永磁直驱风电系统研究现状  28-32
  1.4 本文主要研究内容及创新点  32-35
第二章基于CSC永磁直驱风力发电系统建模  35-55
  2.1 引言  35
  2.2 风力机模型  35-37
  2.3 永磁同步发电机模型  37-40
    2.3.1 静止坐标系下PMSG数学模型  37-38
    2.3.2 同步旋转坐标系下PMSG数学模型  38-40
    2.3.3 机械方程  40
  2.4 电流源型变流器数学模型  40-43
    2.4.1 电流源型变流器主电路结构  41
    2.4.2 静止坐标系下整流器数学模型  41-43
    2.4.3 旋转坐标系下逆变器模型  43
  2.5 电流源型整流器SVPWM调制  43-53
    2.5.1 整流器开关状态  44-45
    2.5.2 整流器输入电流空间矢量  45-46
    2.5.3 空间矢量合成作用时间  46-51
    2.5.4 矢量作用顺序  51-53
  2.6 小结  53-55
第三章系统运行电流优化协调控制策略  55-71
  3.1 引言  55
  3.2 电流源型变流器直流电流控制  55-57
  3.3 满足发电机控制最小直流电流控制  57-60
    3.3.1 转子磁场定向控制  57-58
    3.3.2 满足机侧控制最小直流电流计算  58-60
  3.4 满足并网要求最小直流电流控制  60-63
    3.4.1 电网电压矢量定向控制  60-61
    3.4.2 满足并网要求最小直流电流计算  61-63
  3.5 运行电流最优化系统协调控制方案  63-65
  3.6 电流优化控制策略仿真验证  65-69
  3.7 小结  69-71
第四章网侧逆变器并网控制策略  71-101
  4.1 引言  71-74
  4.2 并网逆变器控制策略分析  74-80
  4.3 新型电流内环变结构并网控制策略  80-95
    4.3.1 一般VOC控制下谐波表现形式  83-84
    4.3.2 新型电流内环控制器结构与分析  84-85
    4.3.3 电流内环变结构并网控制策略  85
    4.3.4 控制器参数设计  85-93
    4.3.5 控制器离散化  93-95
  4.4 所设计控制器仿真验证  95-99
  4.5 小结  99-101
第五章基于CSC永磁直驱风力发电系统低电压穿越控制策略  101-117
  5.1 引言  101
  5.2 国内外风电并网标准对低电压穿越要求  101-103
  5.3 一般低电压穿越控制策略  103-106
    5.3.1 直流侧卸荷LVRT  104-105
    5.3.2 发电机输出功率限制LVRT  105-106
  5.4 新型模式切换低电压穿越控制策略  106-112
    5.4.1 发电机转速上升率  108-109
    5.4.2 低电压穿越下并网有功与无功电流再分配控制算法  109-110
    5.4.3 模式切换低电压穿越系统协调控制策略  110-112
  5.5 模式切换低电压穿越仿真验证  112-116
  5.6 小结  116-117
第六章基于CSC永磁直驱式风力发电系统实验  117-141
  6.1 引言  117
  6.2 硬件系统架构  117
  6.3 软件系统结构  117-119
  6.4 系统实验平台实物图  119-120
  6.5 实验分析  120-140
    6.5.1 系统协调控制实验  120-130
    6.5.2 网侧逆变器实验  130-140
  6.6 小结  140-141
第七章结论与展望  141-143
参考文献  143-153
附录  153-155
作者在攻读博士学位期间发表的论文  155

基于CSC永磁直驱风力发电系统协调控制方法与策略研究

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