直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越特性分析

摘要

随着环境问题的日益严重和人类对能源的需求明显增加，风力发电受到世界各国的重视。随着风电在电网中占有较大比重，很多国家根据自身实际对风电并网制定了低电压穿越的相关规定。
　　 直驱永磁同步风力发电机组省去了齿轮箱，无电刷和滑环，因此得到广泛应用。本文主要对直驱永磁同步风力发电系统(PMSG)及其低电压穿越特性进行分析研究。首先，对PMSG在电网电压三相对称跌落故障下进行了分析，针对目前低电压保护方案中系统成本较高、控制难度大和动态响应慢等不足，本文提出了一种基于功率变换的改进型直流母线电压控制策略，该策略通过调节直流电流和变换功率使系统输入和输出不平衡的能量转化为风力机和发电机转动的动能，以抑制直流母线动态电压过高，通过Matlab/Simulink仿真表明，当电网电压跌落至15％时，该控制策略能有效提高PMSG低电压穿越的能力。其次，分析了PMSG在电网电压三相不对称跌落时直流母线电压波动机理，研究了电网电压波动量负反馈控制策略以平抑直流母线电压波动，并在系统直流母线添加Crowbar卸荷电路，通过仿真表明，当单相接地故障引起电网电压跌落至15％时，直流母线电压2倍频波动得到有效的抑制，保证了系统不脱网运行。最后，针对电网对无功控制和低电压穿越能力的要求，提出在PMSG并网点接入的静止同步无功补偿器(STATCOM)，并给出了逆变器与STATCOM的联合控制方法，仿真结果表明，当电网故障引起电压跌落至15％时，该策略使得直流母线电压由原来的1500V下降到1150V，且输出的无功功率增大至3.8Mvar，从而系统能安全有效地渡过电网故障。
　　 通过以上的研究，为建立具有我国自主知识产权的直驱永磁同步风电系统的低电压穿越技术奠定了一定的理论和试验基础。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 全球风电发展现状

1.1.2 风力发电机组的发展趋势

1.2 直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越技术研究现状

1.2.1 直驱风力发电系统变流主电路拓扑结构

1.2.2 低电压穿越的相关规定

1.2.3 直驱风力发电系统低电压穿越技术研究现状

1.2.4 本论文课题意义

1.3 本论文的主要内容

第2章 直驱永磁同步风力发电系统建模与控制策略

2.1 风力机的建模与分析

2.1.1 风力机的动力学特性

2.1.2 风力发电机运行原理

2.1.3 风力机的建模与仿真

2.2 基于可控整流拓扑的电机侧变流器控制策略

2.2.1 永磁同步发电机数学模型

2.2.2 零d轴电流矢量控制策略

2.3 基于不可控整流拓扑的电机侧变流器控制策略

2.3.1 升压斩波电路模型分析

2.3.2 升压斩波电路的控制

2.4 网侧逆变器控制系统研究

2.4.1 网侧逆变器的数学模型

2.4.2 电网电压定向矢量控制

2.4.3 网侧逆变器控制系统仿真

2.5 小结

第3章 电网电压对称跌落故障下直驱永磁风电系统低电压穿越技术研究

3.1 电压跌落描述

3.2 电网电压三相对称跌落时直流母线电压动态分析

3.3 直驱型风力发电系统低电压保护策略

3.3.1 重新设计变流器的保护方案

3.3.2 减小发电机发电功率的保护方案

3.3.3 采用额外电路单元储存或消耗多余能量的保护方案

3.4 改进型的直驱型风力发电系统低电压保护策略

3.4.1 不可控整流+boost升压斩波+PWM逆变系统的控制策略

3.4.2 双PWM型直驱风电系统的控制策略

3.5 小结

第4章 电网电压不对称跌落故障下直驱永磁风电系统低电压穿越实现

4.1 电网电压不对称故障下直流母线电压波动机理

4.2 电网电压波动量反馈控制方法

4.3 基于CROWBAR电路直流电压稳定控制

4.4 仿真研究

4.5 小结

第5章 基于STATCOM的直驱风电系统低电压穿越技术研究

5.1 STATCOM装置的基本原理

5.1.1 STATCOM的基本结构

5.1.2 STATCOM的数学模型及其控制策略

5.2 STATCOM在直驱风电系统的应用研究

5.2.1 直驱风电系统的联合控制策略

5.2.2 仿真研究

5.3 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 仿真模型图