低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术研究

摘要

低速永磁直驱风力发电系统不需要齿轮箱、易于维护、可靠性高，且发电机和电网之间解耦，在电网电压跌落时可以快速的向电网提供无功支持，和电网之间具有柔性连接特性。因此永磁直驱变速恒频风力发电技术日益成为研究的热点。
　　 本文对低速永磁直驱风力发电的若干关键技术进行了理论分析和实验研究，具体研究如下。
　　 文章对基于载波移相并联的LCL输出滤波器的拓扑结构进行了理论分析和对比研究，包括变流器模块化、体积、环流、滤波性能。并基于LCL滤波器的物理意义分析了LCL滤波器三个元件选取的设计原则，为基于载波移相并联变流器的LCL输出滤波器设计提供了理论基础。
　　 针对载波移相并联导致的环流问题，分析了环流产生的机理，并对环流进行了数学建模，提出了一种独立设计环流控制环的环流控制策略。控制策略分离环流并独立控制，有效提高了环流控制的稳态精度，环流控制策略在抑制低频环流的同时保持了对基波电流控制的良好动静态性能，具有良好的环流抑制效果。
　　 实现载波移相并联变流器一个重要技术是PWM发生器的设计，文章基于FPGA开发了可灵活扩展的PWM发生器IPCore，在本系统的载波移相3模块并联应用中取得了良好的效果。
　　 本文建立了基于载波移相并联的LCL滤波器的数学模型，并和单模块LCL滤波器模型进行了对比，建立了两种滤波器在本质上的等效关系，根据前述LCL滤波器的等效关系及数字控制采样延时的固有特性，提出了一种基于采样延时稳定LCL滤波器网侧和变流器侧电流反馈的控制策略。通过合理选择采样频率，配置系统的闭环零极点，保证系统的稳定性。理论和实验研究深入揭示了采样频率的选择和系统稳定性之间的关系，为载波移相并联LCL滤波器稳定控制奠定了基础。
　　 风电场一般位于电力网末端，属于弱电网，针对电网电压跌落时风机脱网对电网造成的严重危害。本文提出了一种机电复合储能的控制策略，控制策略在电网电压跌落时能有效利用风力机大转动惯量储能，减弱了电网的动态过程对变流器可靠性运行的影响，同时风机储能的有效利用，和传统单制动电阻方案相比，提高了低电压穿越时系统的发电效率。
　　 为了提高风电变流器运行的可靠性，基于载波移相并联变流器的容错能力，文章实验研究了载波移相并联单元的某一桥臂故障、故障模块的切除和冗余单元的投入对系统稳定的影响，仿真和实验结果表明，采用适当的保护控制，基于载波移相并联的变流器具有良好的冗余容错能力。
　　 提出了一种基于电机端电压定向单位功率因数控制策略，该策略利用光电码盘实时准确跟踪电机转子磁场相位，根据转子磁场和电机端电压定向之间的数学关系，得到电机端电压定向的数学模型，使机侧变流器保持单位功率因数运行，提高变流器容量的利用率，并具有良好动静态性能。
　　 为了验证风力发电系统特性，构建了一个小模型实验平台。根据MPPT最佳功率曲线指令，提出了一种直流电机跟踪最大功率配合永磁发电机跟踪最优转速的MPPT模拟运行控制策略，使系统工作在最佳功率曲线。

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1国内外风电发展背景

1.1.2风力发电主要趋势

1.1.3风力发电系统拓扑

1.2直驱风电变流器研究现状

1.2.1变流器拓扑结构

1.2.2变流器并联技术

1.2.3变流器控制技术

1.2.4低电压穿越技术

1.3直驱风电变流器关键技术与所存在的问题

1.3.1并联变流器的环流控制

1.3.2 LCL并网滤波器稳定控制

1.3.3电网与变流器故障控制

1.4本文主要研究内容

第二章基于CPS(载波移相)并联的变流器及并网滤波器研究

2.1基于CPS并联的风电变流器

2.1.1基于CPS并联的变流器系统拓扑

2.1.2基于CPS并联的技术原理

2.1.3基于CPS并联的系统特性

2.2网侧LCL滤波器设计研究

2.2.1网侧LCL滤波器拓扑

2.2.2网侧LCL滤波器原理分析

2.2.3网侧LCL滤波器参数设计

2.2.4网侧LCL滤波器实验验证

2.3基于CPS并联的变流器环流控制研究

2.3.1载波移相变流器环流路径

2.3.2载波移相变流器环流数学模型

2.3.3载波移相变流器环流控制策略

2.3.4实验结果

2.4基于FPGA的载波移相PWM IP Core设计

2.4.1载波移相PWM IP Core设计

2.4.2载波移相PWM IP Core实验研究

2.5小结

第三章基于CPS并联的LCL滤波器控制稳定性研究

3.1引言

3.2基于CPS并联的LCL滤波器控制研究

3.2.1基于CPS并联变流器数学模型

3.2.2基于CPS并联变流器等效模型

3.3基于CPS并联LCL滤波器电流瞬时值反馈控制研究

3.3.1 LCL滤波器调节器参数设计

3.3.2 LCL滤波器稳定控制研究

3.3.3仿真验证

3.3.4实验验证

3.4小结

第四章低电压穿越(LVRT)与变流器故障控制技术

4.1引言

4.2直驱风力发电LVRT控制

4.2.1 LVRT功率平衡关系

4.2.2基于机电储能的LVRT控制策略

4.2.3实验及仿真验证

4.3变流器本体故障保护

4.3.1并联单元桥臂故障保护

4.3.2故障模块的检测和切除

4.4小结

第五章直驱风力发电验证平台最大功率曲线运行研究

5.1风力机的直流电机模拟原理

5.2风机模拟系统平台拓扑

5.3直流电机模拟风力机特性仿真

5.4实验验证

5.5小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

附录

参考文献