基于MMC的永磁直驱风电系统控制策略研究

摘要

风力发电如今正在成为世界能源产业发展的新方向，因此世界各国越来越重视风力发电技术的发展，纷纷投入大量的人力物力开始研究风力发电相关技术。直驱永磁同步风力发电机的全功率变流器是实现发电能量馈入电网的唯一部件，因此全功率变流器对于直驱永磁风力发电系统至关重要。模块化多电平换流器（MMC）作为基于柔性直流输电系统的一种新型拓扑，具有扩展性好、可靠性高、谐波含量低等特点，特别适用于中压大功率的场合，逐渐开始受到各国研究人员的热捧。因此为将MMC更好的应用于风力发电领域，针对基于MMC的变流器控制方法也急需解决。本文主要研究基于MMC的直驱风电系统控制策略，主要内容如下：
　　论文首先从风能的计算出发，研究了风力机运行特性和功率特性，并介绍了风力机的主要技术参数；结合直驱永磁同步电机的结构特点，推导了其在不同坐标系下的数学模型，然后根据传统PI控制原理，提出了直驱风力发电系统的基本控制策略，并在Matlab/Simulink仿真软件下，搭建了其并网仿真模型。
　　随后针对直驱型永磁同步风力发电系统，为改善系统的性能和传统控制方法的不足，提出基于模块化多电平高压直流输电系统的控制策略。论文介绍了MMC的拓扑及基本工作原理，分析了其调制原理及电容电压均衡策略，并在不同坐标系下推导了MMC的数学模型。接着在αβ静止坐标系下引入了比例谐振控制(proportion-resonant，PR)策略，根据直驱风力系统的特性，设计了基于MMC的机侧换流器PI控制策略和网侧换流器的PR控制策略，与PI控制方法相比，该方法能实现交流量的无静差调节，无需繁琐的坐标旋转变换，有效的减小了控制算法实现难度。在Matlab/Simulink仿真软件下，搭建了直驱型永磁同步风力发电系统的三相十一电平的MMC仿真模型，其结果表明，网侧基于αβ坐标系的PR控制方法具有较强的动态稳定性和抗干扰的能力，验证了在该模型下PR控制策略的有效性。
　　最后对于不对称故障的情况，分析了不对称故障时的系统特性，介绍了故障相序量分离器。针对风电场并网点发生不对称故障时，要求直驱永磁同步风力发电系统具有抑制故障能力的问题，本文提出了一种基于αβ静止坐标系的抑制负序电流为零的控制策略，以保持系统的动态稳定性和故障穿越能力，并在MATLAB/Simulink中搭建了系统的仿真模型，验证了所提控制策略的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外风电并网研究现状

1.3 论文的主要内容

第2章 直驱永磁风力发电系统组成及数学模型

2.1 风力机的建模与分析

2.2 直驱永磁同步电机的数学模型

2.3 直驱永磁风力发电场基本控制策略

2.4 永磁直驱风机建模与仿真分析

2.5 本章小结

第3章 模块化多电平换流器

3.1 MMC拓扑及工作原理

3.2 MMC稳态数学模型

3.3 MMC的调制策略

3.4 子模块电容电压均衡策略分析

3.5本章小结

第4章 直驱永磁风力发电系统的控制策略

4.1 PR控制器

4.2 基于MMC的直驱风电变流器控制系统设计

4.3 基于MMC的直驱风电场控制策略仿真分析

4.4 本章小结

第5章 交流侧不对称故障时的抑制策略

5.1 并网故障时系统特性分析

5.2 控制系统设计

5.3 两相静止坐标控制策略研究

5.4 仿真验证与分析

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及成果

附录B 攻读学位期间所参与的项目

致谢