直驱式永磁同步风力发电变流器若干关键技术研究

摘要

随着世界各国对风电产业的大力支持和研究，风力发电技术得到了迅猛发展，装机容量大大增加。由于永磁同步电机具有机械损耗小、运行效率高、维护成本低、无增速齿轮箱及可靠性高等优点，逐渐得到广泛应用。但是在直驱方案中，变流器作为风力所发电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等要求很高;变流器的设计、制造与试验也一直是直驱式永磁风力发电系统的瓶颈和难点问题，它对于整个系统的稳定、高效运行具有至关重要的意义。
　　本文重点关注了直驱式永磁同步风力发电变流器的建模、限制功率控制、低电压穿越过程中的检测与不对称控制算法、永磁电机无速度传感器算法以及系统构建等关键问题，采用理论分析、仿真与实验验证的方法进行了相对深入与系统的研究:
　　将全功率变流器的控制分为机侧变流器和网侧变流器两个部分进行建模与控制分析。对于机侧变流器的控制而言，为了避免在大风条件下运行时存在的电机超速运转及SVPWM过调制现象，在原有控制策略的基础上增加了限制功率及机端电压的PI调节器，设计了一种新型的机侧变流器控制策略，仿真及现场风场试验验证了算法的可靠性及有效性。对于网侧变流器的控制，建立了LCL型滤波器电压源变流器的数学模型，并设计了针对LCL型滤波的VSC控制算法，仿真及现场风场试验结果验证了算法的可行性。
　　针对直驱风电变流器多电平化的发展需求，为了改善不平衡负载条件下三电平中点钳位型(NPC)电压型并网逆变器的输出电压波形，基于延时信号消除(DSC)算法对电压正负序分量进行分离，分别在正向负向旋转坐标系下进行控制。但是该方法在修正了电压波形的同时，将进一步增加输出电流的不对称性，这将加剧在空间矢量调制下三电平NPC电压型逆变器中点电位的波动。基于此分析了负序电流分量对中点电位波动的影响，找出了一个开关周期内控制冗余小矢量的作用时间对中点电位调整能力的边界，从而建立了中点电位控制的空间矢量调制算法。仿真结果表明该控制方案下，负序电压分量在负方向旋转的坐标系下得到控制，同时负序电流作用使得中点电位的波动加剧，但是在空间矢量中点电位调制下，中点电压波动得到抑制。
　　为了实现永磁直驱式风电机组的低压穿越(LVRT)能力，查明了其关键技术在于:三相电网信息的快速准确提取、电压跌落期间的能量管理和网侧变流器在电网不对称条件下的运行与控制。为了实现对电网信息的快速准确提取，设计了基于级联DSC算法的软件锁相环技术;能量管理的主要措施是在直流侧安装制动单元，将LVTR期间无法送入电网的多余能量消耗掉;针对电网不对称电压跌落下的情况，设计了基于正负序双电流内环控制的控制策略、变流器保护策略以及无功补偿策略，通过风场现场实验验证LVRT技术的可行性和有效性。
　　为了提高风电变流器的设计研发效率与匹配性，模拟实际风场的现场运行情况，搭建了兆瓦级直驱式风力发电模拟实验系统。首先建立了两套绕组间具有30°相差的六相永磁同步电机的数学模型，同时鉴于系统的实际需要，提出了一种基于高阶非奇异终端滑模观测器的无传感器控制方法，仿真与实验结果表明算法的有效性。另外，采用脉动高频电压信号注入法，实现了六相永磁同步电机无传感器控制技术的零速启动，仿真结果验证了算法的有效性。
　　设计了一套2MW级直驱式永磁风力发电全功率变流器系统。对该变流器系统的基本组成，参数选取，控制与保护功能的实现，以及现场测试与运行的情况进行了介绍与小结。

目录

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致谢

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 风力发电技术与国内外发展现状

1．2．1 并网风力发电系统

1．2．2 两种典型变速怛频风力发电系统

1．2．3 风力发电技术发展趋势

1．3 风力发电变流器技术

1．3．1 交流器拓扑与控制

1．3．2 变流器结构设计

1．3．3 风力发电交流器的发展趋势

1．4 风电机组低电压穿越技术

1．4．1 低电压穿越定义

1．4．2 直驱式机组的低压穿越

1．5 风力发电变流技术模拟实验平台

1．6 本文研究的主要内容

第二章 全功率变流器模型与控制

2．1 系统介绍

2．2 机侧变流器的建模与控制

2．2．1 机侧交流器的数学模型

2．2．2 机侧变流器的控制策略及实现

2．2．3 仿真及实验结果分析

2．3 网侧变流器建模与控制

2．3．1 带LCL滤波器的VSC数学模型

2．3．2 网侧变流器控制策略及实现

2．3．3 仿真及实验结果分析

2．4 三电平NPC并网交流器不平衡负载控制策略

2．4．1 三电平SVPWM原理及其实现

2．4．2 不对称负载条件下的电压波形校正

2．4．3 负序电流对中点电位波动的影响分析

2．4．4 结合中点电位控制的复合控制策略

2．4．5 仿真结果分析

2．5 本章小结

第三章 全功率交流器的低压穿越控制策略研究

3．1 低压穿越控制中的几个关键问题

3．1．1 电网电压信息提取

3．1．2 电压跌落与恢复过程的能量管理

3．1．3 网侧变流器在电网不对称时的控制

3．2 电压跌落时变流器的保护与限制

3．2．1 网侧过电流保护

3．2．2 直流过电压保护

3．2．3 无功补偿策略

3．3 仿真及实验结果分析

3．3．1 电网电压对称跌落时仿真及实验结果分析

3．3．2 电网电压不对称跌落时仿真及实验结果分析

3．4 本章小结

第四章 直驱式风力发电交流器模拟实验系统研究

4．1 风力发电变流器模拟实验系统

4．1．1 模拟实验系统主要构成

4．1．2 RT-Lab实时仿真系统简介

4．2 六相永磁同步电机数学模型

4．3 永磁同步电机无传感器控制技术

4．3．1 传统滑模观测器设计

4．3．2 新型滑模观测器设计

4．3．3 转子位置及速度估算

4．3．4 仿真及实验结果分析

4．4 多相永磁同步电机的脉动高频信号注入法

4．4．1 高频激励下的六相永磁电机数学模型

4．4．2 基于锁相环的转子位置估计

4．4．3 仿真结果分析

4．5 本章小结

第五章 全功率风电交流器设计与实现

5．1 系统顶层设计

5．2 主回路器件选型与参数设计

5．2．1 LCL滤波器参数设计

5．2．2 直流支撑电容参数设计

5．3 系统控制算法设计

5．4 系统结构设计

5．5 散热系统设计

5．5．1 边界条件确定

5．5．2 系统损耗分析

5．5．3 IGBT散热器设计

5．5．4 循环水路和风路设计

5．6 通信系统设计

5．7 监控与保护系统设计

5．8 系统测试

5．8．1 功率单元脉冲测试

5．8．2 背靠背平台功率环流测试

5．8．3 风场运行测试

5．9 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录：作者在攻读博士学位期间取得的成果