直驱永磁风力发电系统的运行控制及低电压运行特性分析

摘要

可再生能源的开发利用受到了国际社会的高度重视，风力发电以其具有的清洁、无污染、开发利用方便等的特性无疑成为众多可再生能源研究中最为热门的行业。风电也以前所未有的速度逐年递增，并会在今后相当长的时间里持续发展。随着风力发电技术的日趋成熟，变速恒频风电机组以其多样性的运行方式而成为市场的主流，双馈感应发电系统(DFIG)以可以提高风能利用率和控制灵活并实现柔性并网而得到普及。但其投入使用后的后续维护工作量大，易于出现故障的增速齿轮箱成为制约双馈感应发电系统的瓶颈。而近年来出现的直驱永磁同步风力发电系统(PMSG)以不需要增速齿轮箱、取消了易于出故障的转子上集电环和电刷装置、结构简单、维护方便、效率高等优点越来越多的受到人们的重视，并随着电力电子器件价格的大大降低，为直驱永磁同步风力发电系统的普及带来了更大的市场。
　　 本文在直驱永磁同步风力发电系统数学模型的基础上，分析其控制策略并作仿真分析。其主要工作如下：
　　 1:完整的介绍了直驱永磁同步风力发电系统的基本组成，并以此对各个组成部分建立数学模型及其相关仿真模型，包括：风速模型、风力机模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型、全功率变流器模型。
　　 2：在1建立模型的基础上，研究了直驱永磁同步风力发电系统的控制策略，包括对风力机的控制：额定风速下的最大风能追踪和额定风速以上的桨距角控制；全功率变流器的双闭环解耦控制。
　　 3：在以上数学模型及控制策略的基础上，利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建完整的直驱永磁同步风力发电系统整体仿真模型，进行系统的仿真研究，验证控制策略的可行性。
　　 4：在己建立的完整的直驱永磁同步风力发电系统仿真模型的基础上，仿真分析此系统的低电压运行特性，并仿真验证通过在直流侧增加卸荷电阻的方式来提高系统的低电压运行能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外风电发展现状

1.2.1 国外风电发展概况

1.2.2 我国风电发展概况

1.3 并网风力发电机组主要类型

1.3.1 恒速恒频风力发电系统

1.3.2 变速恒频风力发电系统

1.4 本文的主要工作

2 直驱永磁同步风力发电系统模型及控制策略

2.1 直驱永磁同步风力发电系统的拓扑结构

2.2 风力发电系统中模型的建立

2.2.1 风速模型

2.2.2 风力机转矩模型

2.2.3 转轴传动模型

2.2.4 永磁发电机模型

2.2.5 背靠背全功率变流器模型

2.3 直驱永磁同步风力发电系统的控制策略

2.3.1 风力机的运行控制

2.3.2 全功率变流器的控制

2.4 直驱永磁同步风力发电系统的整体仿真控制框图

2.5 直驱永磁同步风力发电系统的功率输出特性分析

2.6 本章小结

3 全功率变流器的设计

3.1 三相电压型变流器VSR的设计

3.1.1 三相电压型变流器的分析

3.1.2 电流内环设计

3.1.3 电压外环设计

3.2 三相VSR模型的仿真验证

3.3 本章小结

4 直驱永磁同步风力发电系统的整体仿真分析

4.1 PMSG整体模型的建立及仿真参数的设置

4.2 恒转速控制——背靠背变流器双闭环解耦控制有效性的仿真验证

4.3 额定风速以下基于最优叶尖速比的最大风能追踪控制

4.4 额定风速以上的桨距角控制

4.5 超前、滞后功率因数运行控制

4.6 低电压运行特性分析

4.7 增加卸荷电阻的低电压运行特性分析

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文