永磁直驱同步风力发电机风电场的暂态聚合建模研究

摘要

风能作为一种可再生，无污染而且开发相对经济的特质使得包括永磁同步风力发电机(PMSG)在内的风力发电行业的装机容量和发电量在过去的二十年的时间里都有了显著的增长。这引起了对故障情况下含PMSG风电场电网动态性能的关注，而含PMSG风电场的电网的暂态过程前提是对PMSG风电场的可靠建模。
　　文章首先对PMSG单元沿着能量转化、传递的轨迹依次建立了PMSG空气动力学模型，传动链模型，变流器详细模型以及直流桥的数学模型。并且介绍了机侧变流器、网侧变流器以及直流桥的控制策略。并在此基础上关于对称电压跌落情况下的PMSG单元进行了建模。提出了用一个受电压跌落深度，以及跌落前有功水平控制的受控电流源来表征对称跌落下的PMSG对外电气特性的观点，并给出了相应的计算公式。
　　通过对正负序双电流环控制策略下的各正负序电气量的变换关系进行了详细的推导，得出了在现有的保持输入到电网侧有功功率二倍频波动为零的基础上正负序交直流分量所必须满足的约束条件。后针对现行的控制策略无法以解析的形式给出PMSG输入到电网的有功功率，无功功率给定值的情况。本文在验证并吸收了电压跌落因子的定义的基础上提出通过优化计算代替控制过程来求取网侧变流器无功功率实际值的方法。针对实际PMSG系统并网电抗器的存在导致的网侧变流器端口输出有功功率恒定与并网点有功功率恒定不可兼得的矛盾。发生小值电压跌落以及正常运行时选择保持网侧变流器端口输出有功功率恒定的策略，以减小直流桥的有功功率二倍频波动。这时仍旧依照严重电压跌落时采取的方法，用优化计算代替控制过程，得到了小值不平衡状态下的PMSG单元模型。
　　基于以上分析，本文得出了在电网电磁暂态条件下PMSG可以等效为受电压跌落深度和故障前有功控制的受控电流源的结论。在对比了之前关于双馈异步风力发电机聚合建模之后，提出了忽略所有集电线路、升压变直接等效为电流源向量求和的简单聚合方法，并在DIGSILENT环境下仿真，结果证明了所提出聚合方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 现役的主要风力发电机机型

1．2．2 双馈异步风力发电机

1．2．3 永磁直驱风力发电机

1．3 PMSG建模研究现状及发展趋势

1．4 论文主要内容

第二章 PMSG风力发电机详细模型介绍

2．1 风力机和传动链模型

2．2 PMSG的电气模型

2．3 变流器的数学模型

2．4 机侧变流器控制策略

2．5 网侧变流器的控制策略

2．6 直流桥的数学模型以及控制策略

2．7 小结

第三章 PMSG单元在暂态情况下的建模

3．1 风电场电压跌落级低电压穿越

3．2 PMSG在三相对称电压跌落下的状态分析及建模

3．3 PMSG在不对称电压跌落条件下的分析和建模

3．3．1 网侧变流器在不对称状态下的数学模型

3．3．3 不平衡电网电压下网侧变换器的控制策略

3．3．4 功率方程有功功率和无功功率给定值的确定

3．3．5 考虑并网电抗器的影响后情况

3．4 小结

第四章 PMSG风电场的暂态聚合建模

4．1 PMSG风电场的电磁暂态过程聚合建模仿真

4．2 PMSG风电场的机电暂态过程聚合建模仿真

4．3 小结

全文总结与展望

参考文献

致谢

附录