基于H-MMC的中压直驱永磁风电系统控制技术研究

摘要

在全球推动能源变革的背景下，风电发展迅速。为了提升风能利用效率和降低风电场单位成本，风电机组单机容量不断增大，额定电压也提升到中压等级。基于多电平全功率变流器的中压大功率直驱永磁风电系统成为了风电研究的热点。本文提出了一种基于六边形模块化多电平变流器(Hexagonal Modular Multilevel Converter，H-MMC)的中压大功率直驱永磁风电系统，可以将三相风力发电机通过一级交交变换后直接并入三相交流电网，具有功率损耗低、并网质量高、电容电压纹波小、无升压变压器并网等优点。进一步对该系统运行特性、控制策略以及不对称电网故障下的低电压穿越技术展开研究，具体内容如下：　　首先，介绍了基于H-MMC的直驱永磁风电系统的拓扑结构、数学模型和工作原理。对桥臂功率进行稳态分析，推导出系统稳定运行的约束条件，得到了H-MMC子模块电容电压的波动规律，并与基于背靠背模块化多电平变流器(Back-to-back Modular Multilevel Converter, BTB-MMC)的变流方案进行对比，验证了H-MMC在中压大功率直驱永磁风电交流并网系统的应用中具有明显的优势。　　然后，研究了基于H-MMC的直驱永磁风电系统的控制策略。针对外环控制部分，提出引入电流前馈环节的基于最佳叶尖速比法的最大功率跟踪控制策略，实现了风能的高效利用，提高风速快速变化时转速的响应能力。提出通过注入环流和共模电压对风机无功进行补偿的方法，使电网获得单位功率因数，并进一步提出一种层次化电容电压平衡控制策略。根据电流内环控制方式的差别，提出并对比分析了基于比例积分(Proportional Integral，PI)控制器的电流内环矢量控制、基于比例积分谐振(Proportional Integral Resonant，PIR)控制器的桥臂电流跟踪控制、以及基于机侧PI+网侧比例谐振(Proportional Resonant，PR)控制器的电流内环控制三种不同的系统控制策略。Matlab/Simulink仿真结果表明，在所提控制策略下基于H-MMC的风电系统均具有良好的稳态运行特性和动态响应特性。　　最后，研究了不对称电网故障下基于H-MMC的直驱永磁风电系统的运行与控制，分别以电网负序电流、无功二倍频波动和有功二倍频波动为抑制目标，在αβ静止坐标系下基于网侧PR电流内环设计了不对称电网故障下的系统控制策略。并通过单相接地故障工况下的仿真，验证并对比了不同抑制目标下所提控制策略的控制效果。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低压全功率风电变流器拓扑

1.2.2 中压全功率风电变流器拓扑

1.2.3 H-MMC 的研究现状

1.3 本文项目来源和主要研究内容

第 2 章 基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的工作原理和建模分析

2.1 风力机建模与分析

2.2 PMSG 的数学模型

2.3 基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统拓扑和原理分析

2.3.1 基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的拓扑结构

2.3.2 子模块工作状态分析

2.3.3 基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的基本工作原理

2.3.4 环流模型

2.4 功率稳态分析及子模块电容电压纹波分析

2.4.1 功率稳态分析

2.4.2 子模块电容电压纹波分析

2.5 H-MMC 全功率风电变流器的调制策略

2.5.1 NLM 调制方式

2.5.2 CPS-PWM 调制方式

2.6 本章小结

第 3 章 基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的控制策略

3.1 基于 PI 电流内环矢量控制的系统控制策略

3.1.1 MPPT 控制

3.1.2 网侧功率控制

3.1.3 层次化电容电压平衡控制

3.1.4 环流控制

3.2 基于 PIR 桥臂电流跟踪控制的系统控制策略

3.3 基于机侧 PI+网侧 PR 电流内环控制的系统控制策略

3.4 仿真分析

3.4.1 基于 PI 电流内环矢量控制策略下的仿真结果

3.4.2 基于 PIR 桥臂电流跟踪控制下的仿真结果

3.4.3 基于机侧 PI+网侧 PR 电流内环控制策略下的仿真结果

3.5 本章小结

第 4 章 不对称电网故障下基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的运行与控制

4.1 不对称电网故障下系统的运行特性分析

4.1.1 不对称故障下系统传输功率的数学模型

4.1.2 不对称故障下 H-MMC 的桥臂功率分析

4.2 序量分离器设计

4.3 不对称故障下基于 H-MMC 的直驱永磁风电系统的控制策略

4.3.1 抑制负序电流

4.3.2 抑制无功功率二倍频波动

4.3.3 抑制有功功率二倍频波动

4.4 仿真分析

4.4.1 抑制负序电流的仿真波形

4.4.2 抑制无功二倍频波动的仿真波形

4.4.3 抑制有功二倍频波动的仿真波形

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间获得的研究成果

致 谢