负序电流与谐波注入下永磁直驱风机运行特性与控制研究

摘要

在化石能源紧张以及环境污染日益严重的背景下，风能因其清洁可再生等优点受到越来越多的关注。我国风能资源丰富，但适合大规模风能开发的地区，大多远离主干电网，使得风电机组所联的是一个存在电网不平衡、谐波畸变等多种运行风险的“弱电网”，风电机组及含风电电力系统的稳定运行面临诸多挑战。因此，对负序电流及谐波注入下的风电机组运行特性进行研究，改进风电机组的控制策略，分析风电机组对近区电力系统的影响，对风电机组的高效稳定并网运行具有重要意义。本文针对负序电流及谐波电流注入下的永磁直驱风机运行特性与控制进行了研究。
　　首先，介绍了永磁直驱风电机组的数学模型与控制系统，分析了直驱风电机组的结构与原理，在PSCAD软件上建立了详细的仿真模型，分别仿真研究了负序电流与谐波电流注入下传统控制的直驱风机的运行特性，仿真结果验证了理论分析的正确性。
　　其次，提出了一种基于重复与准比例谐振复合的直驱风机网侧变流器控制策略。根据电网不平衡条件下的控制目标，计算得到正负序电流指令值，在两相静止坐标系下，采用复合控制实现对指令值的无静差跟踪，并抑制交流电网谐波的干扰。在提出系统框图的情况下，对各个控制环节的设计方法进行了研究，评估了控制效果。仿真结果表明，该控制策略在电网不平衡及畸变的工况下，能有效抑制输出有功功率的波动，降低输出电流的谐波畸变率，验证了控制策略的正确性。
　　最后，针对具备不平衡运行控制的永磁直驱风机，采用了一种稳态不对称计算方法，用以计算电网不平衡工况下，含直驱风机接入的系统的正负序分量。在正负序网中，将直驱风机等效为正负序受控电流源，然后根据系统正负序网，列出系统正负序电压电流方程，与直驱风机正负序电流指令值计算方程联立求解，得到系统各参数的序分量。分析了电网不平衡工况下，直驱风机对近区系统其他支路负序电流的影响，并与同步发电机进行了比较。在双机无穷大以及十三节点配电网的算例中，通过理论计算值与仿真值的对比，验证了本文所采用计算方法和结论的正确性。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 直驱风机建模研究现状

1．2．2 负序电流注入下风机运行控制

1．2．3 谐波电流注入下风机运行控制

1．2．4 含风电系统不对称计算方法

1．3 本文的内容结构

第2章 永磁直驱风机建模及运行特性分析

2．1 永磁直驱风机数学模型

2．1．1 风电机组基本结构

2．1．2 风速及风力机数学模型

2．1．3 轴系数学模型

2．1．4 永磁同步发电机数学模型

2．1．5 变流器数学模型

2．2 永磁直驱风机控制策略

2．2．1 最大功率跟踪控制

2．2．2 桨距角控制

2．2．3 机侧变流器控制

2．2．4 网侧变流器控制

2．2．5 卸荷电路控制

2．3 负序电流注入下风机运行特性

2．3．1 负序电流注入对风机的影响分析

2．3．2 仿真验证

2．4 谐波电流注入下风机运行特性

2．4．2 仿真验证

2．5 本章小结

第3章 基于重复和准比例谐振的网侧变流器控制策略

3．1 引言

3．2 直驱风机网侧变流器数学模型

3．3 直驱风机网侧变流器控制原理

3．3．1 控制原理及框图

3．3．2 不平衡条件下电流控制指令算法

3．3．3 重复与准比例谐振复合控制策略原理

3．4 控制器设计及性能分析

3．5 算例验证

3．5．1 单相短路故障

3．5．2 电网不平衡及谐波电流注入

3．6 本章小结

第4章 直驱风机对近区电力系统负序电流分布的影响

4．1 引言

4．2 负序电流注入下含直驱风机系统序网分析

4．2．1 具备不平衡运行控制直驱风机序网模型

4．2．2 注入负序电流序网模型

4．2．3 含直驱风机系统不对称计算原理

4．2．4 与同步电机对比

4．3 双机无穷大系统算例

4．3．1 直驱风机与同步电机并联情形分析

4．3．2 同步电机与同步电机并联情形分析

4．3．3 理论计算与仿真结果对比

4．4 十三节点配电网系统算例

4．4．1 含直驱风机与同步电机的配电网分析

4．4．2 将直驱风机替换为同步电机

4．4．3 理论计算与仿真结果对比

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目