基于阻抗的风电逆变器的建模与稳定分析

摘要

近些年我国风力发电得到了快速发展，风电并网逆变器与电网之间的交互作用影响电网和逆变器的稳定。风力发电是通过逆变器并网的，随着风场装机容量的增大，大量风电逆变器并入电网，不同风电并网逆变器间的差异会引起兼容性问题，其中逆变器输出阻抗与电网阻抗阻抗不匹配问题变得越发突出。在电网中其他逆变器等效电阻对独立并网系统稳定性带来了新的挑战，并网逆变器的稳定问题成为风力发电领域的一大难题，研究风电并网系统的稳定性成为研究的一个热点。　　本文研究了直驱式永磁同步风力发电机及全功率变换器的工作特性，建立了基于RT-LAB实时仿真平台的2.5MW直驱式永磁同步风力发电系统仿真模型，进行了实时仿真实验，研究了风机的最大功率跟踪问题。同时在此基础上研究了并网逆变器的特性以及产生不稳定性现象的原因，针对出现的不稳定现象，提出了基于阻抗稳定性分析方法即电网阻抗与并网逆变器输出阻抗之比要满足Nyquist判据。利用谐波线性化方法对并网逆变器输出阻抗和电网阻抗进行了建模，结合阻抗分析方法和RT-LAB实时仿真实验对比分析了电网阻抗对并网系统稳定性的影响。具体完成工作如下:　　1、为了研究大信号情况下并网系统稳定性，分别建立了风力机数学模型、三相静止坐标系中和dq坐标系中的数学模型以及功率和扭矩模型，研究了直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪问题。建立了基于RT-LAB的PMSG仿真模型，进行了实时仿真实验，达到预期目标。　　2、建立了机侧PWM整流器数学模型，通过调节q轴电流而实现电磁转矩Te的控制，从而可以实现风机最大功率点跟踪控制。分析了整流器对风机转速的控制。研究了网侧PWM逆变器滤波环节、平均模型，并建立PWM并网逆变器数学模型。建立了RT-LAB全功率变换器系统仿真模型，进行了实时仿真实验，达到预期目标。　　3、为了研究小信号情况下并网系统稳定性，研究了阻抗谐波线性化建模方法，利用谐波线性化方法建立了PLL小信号模型，建立了不含PLL和含PLL逆变器输出阻抗模型，并进行了仿真分析。　　4、进行了并网系统分区研究并建立电网阻抗模型。研究了电网阻抗和DC-AC输出阻抗的比值满足奈奎斯特的判据，分析了并网逆变器稳定性。为了应对风电的周期变化性和风电大规模并网带来的电网冲击，建立含电网电压前馈的阻抗模型。利用基于阻抗的稳定分析方法和RT-LAB硬件在环仿真实验对比分析了电网阻抗对系统的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 永磁直驱风力发电的研究现状

1．3 风电全功率变换器的研究现状

1．4 风电并网逆变器阻抗建模的研究现状

1．4．1 谐波线性化小信号建模方法

1．5 风机并网逆变器稳定性分析方法的研究现状

1．6 主要研究内容及论文的基本框架

第二章 基于RT-LAB的永磁直驱风机的建模与研究

2．1 引言

2．2 永磁直驱风机的建模

2．2．1 空气动力学及风机运动方程

2．2．2 PMSG在三相静止坐标系中的数学模型

2．2．3 PMSG在dq坐标系中的数学模型

2．2．4 PMSG的功率和转矩分析

2．3 最大功率跟踪控制

2．4 基于RT-LAB实时仿真结果与分析

2．5 本章小结

第三章 基于RT-LAB的风电全功率变换器的建模与研究

3．1 引言

3．2 风机侧PWM整流器建模

3．2．1 三相PWM整流器的控制环路

3．2．2 三相PWM整流器的dq解耦控制

3．2．3 三相PWM整流器的定向控制

3．3 风电PWM逆变器滤波器

3．4 网侧并网逆变器建模

3．4．1 三相PWM逆变器的控制环路

3．4．2 三相PWM逆变器的dq解耦控制

3．5 变换器平均模型与控制

3．6 基于RT-LAB实时仿真结果与分析

3．7 本章小结

4．1 引言

4．2 基于谐波线性化的小信号正负序阻抗建模

4．2．1 基于谐波线性化的小信号建模

4．2．2 基于谐波线性化的小信号建模方法

4．3 采样和延迟效应

4．4 风电并网逆变器输出阻抗平均模型

4．5 风电并网逆变器输出阻抗模型

4．5．1 锁相环PLL

4．5．2 控制环路模型

4．5．3 风电并网逆变器输出阻抗模型

4．6 本章小结

第五章 基于阻抗和RT-LAB的风电并网逆变器的稳定性分析

5．1 引言

5．2 系统分区进行阻抗分析

5．3 逆变器终端的电网阻抗

5．3．1 电网阻抗分析

5．4 基于阻抗的稳定性分析

5．4．1 单相稳定性判据

5．4．2 三相稳定性判据

5．4．3 基于阻抗的风电并网逆变器的稳定性仿真分析

5．6 引入电网电压前馈控制阻抗建模与稳定性仿真分析

5．6．1 引入电压前馈输出阻抗模型

5．6．2 基于阻抗和RT-LAB实时仿真实验的并网系统稳定性分析

5．7 实验平台

5．8 本章小结

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况