电励磁直驱风力发电机并网控制技术研究

摘要

直驱型风力发电机组因其具有可靠性高、传动效率高、故障穿越能力强、发电机与电网无直接耦合等优点，成为了风电领域重要的发展趋势。近年来，永磁直驱型风电机组成本受永磁材料的价格、储量等因素影响较大，从而使电励磁直驱型风电机组成为直驱型风电机组的又一个发展方向。本文围绕电励磁直驱型风力发电机并网控制技术展开理论研究，对并网逆变器和电励磁同步发电机(electrically excited synchronous generator, EESG)的控制策略进行了研究，取得了以下成果。
　　1.围绕并网逆变器的建模和电流控制性能进行了研究。在并网逆变器静止坐标系和同步旋转坐标系下的动态数学模型的基础上，研究了并网逆变器在同步旋转坐标系下的解耦PI控制和静止坐标系下的PR控制两种典型电流控制策略的特点。利用复矢量分析法对采用不同电流调节器时系统的解耦性能、跟随性能、抗扰性能进行了对比分析。对静止坐标系下基于PR电流调节器时系统的功率解耦性能进行了理论分析，得到了系统的功率耦合关系，并提出了通过改进传统PR调节器实现功率解耦的方法。最后，通过并网逆变器的仿真和实验结果验证了静止坐标系下采用改进型PR电流调节器可以实现系统有功功率和无功功率的解耦控制，改善系统的动态性能。
　　2.对不平衡电网条件下并网逆变器的控制策略进行了研究。利用对称分量法建立了直驱风力发电机系统中并网逆变器在不平衡电网电压条件下的数学模型。针对不平衡电网电压条件下实现并网逆变器与电网同步的问题，提出了一种基于降阶谐振调节器的锁频环(frequency-locked loop based on reduced order resonantcontroller, ROR-FLL)技术实现电网频率检测及不平衡电压的正、负序分离等，通过仿真和实验验证了ROR-FLL实现正负序分离、谐波及频率检测的可行性。采用提出的ROR-FLL，引入了通用正负序电流指令计算方法，得到了并网逆变器静止坐标系下基于PR电流调节器的不平衡控制策略。最后，提出了一种新型的电流调节器——比例积分降阶谐振(proportion integral plus reduced order resonant, PI-ROR)调节器，并将其应用到不平衡控制系统中进行不平衡电流的控制，得到了一种正向同步旋转坐标系下基于PI-ROR电流调节器的不平衡控制策略，通过仿真和实验验证了系统的稳态和动态性能。
　　3.围绕EESG的建模和磁链观测技术展开研究。建立EESG在静止坐标系、dq同步旋转坐标系和MT轴系下的动态数学模型的基础上，研究了EESG的不同磁链定向方法，给出了气隙磁链定向控制的原理，并设计了矢量控制系统。对EESG矢量控制系统中的磁链观测技术进行了研究，针对基于电压模型磁链观测器中纯积分环节的初始值、直流偏置、积分饱和等问题，提出了一种改进型二阶广义积分器(improved second-order generalized integrator, ISOGI)代替纯积分器，得到了一种基于ISOGI的电压模型磁链观测技术，并对其实现方法及性能进行了分析。最后，通过Matlab仿真和电励磁直驱型风力发电系统实验平台验证了基于ISOGI磁链观测器是可行性，且此方案在风力发电系统要求的频率范围具有较好的稳态及动态性能。
　　4.对电励磁直驱型风力发电机在短时超速情况下的弱磁控制进行了研究。首先，介绍了EESG弱磁控制的原理，规划出了EESG在恒转矩区和高速弱磁区的电流轨迹。其次，对基于动态定子磁链电流补偿的EESG定、转子综合弱磁控制方法的性能进行了分析，并通过仿真和实验进行了验证。接着，针对传统弱磁控制方法存在动态响应慢的问题，提出了两种改进的弱磁控制方案:基于“虚拟阻抗”的定、转子综合弱磁控制方案和基于变M轴电压单电流调节器的定、转子综合弱磁控制方案。最后，通过仿真和实验验证了所提弱磁控制方案能够加快弱磁控制的动态响应，可以应用于电励磁直驱型风力发电系统的短时超速工况下，保证风力发电系统在更宽的速度范围内可靠运行。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文的研究背景和选题意义

1．1．1 国内外风力发电发展概况

1．1．2 风力发电系统简介

1．1．3 论文的选题意义

1．2 直驱型风力发电系统及其控制策略研究现状

1．2．1 电励磁直驱型风力发电系统

1．2．2 并网逆变器的控制策略研究

1．2．3 电励磁同步电机韵磁链观测及磁链控制技术

1．3 本文的主要研究内容

2 并网逆变器的电流控制性能分析及改进

2．1 并网逆变器的数学模型

2．1．1 静止坐标系下的数学模型

2．1．2 同步旋转坐标系下的数学模型

2．2 并网逆变器的电流控制策略

2．2．1 同步旋转坐标系下的解耦PI控制

2．2．2 静止坐标系下的PR控制

2．2．3 性能对比分析

2．3 静止坐标系下并网逆变器的功率解耦控制

2．3．1 功率耦合性分析

2．3．2 解耦控制方法

2．3．3 解耦PR调节器设计

2．3．4 仿真和实验研究

2．4 本章小结

3 不平衡电网下并网逆变器的控制策略

3．1 三相不平衡系统的对称分量法分析

3．2 基于降阶谐振调节器的锁频环技术

3．2．1 ROR调节器的原理

3．2．2 ROR-FLL的实现

3．2．3 ROR-FLL性能分析

3．2．4 仿真和实验研究

3．3 不平衡电网下并网逆变器的数学模型

3．3．1 不平衡电网下并网逆变器的等效模型

3．3．2 不平衡电网下并网逆变器的瞬时功率

3．4 静止坐标系下并网逆变器的不平衡控制方案

3．4．1 不平衡电网下并网逆变器的控制目标

3．4．2 静止坐标系下并网逆变器的不平衡控制系统设计

3．4．3 仿真和实验研究

3．5 同步旋转坐标系下并网逆变器的不平衡控制方案

3．5．1 PI-ROR调节器

3．5．2 同步旋转坐标系下并网逆变器的不平衡控制系统设计

3．5．3 仿真和实验研究

3．6 本章小结

4 电励磁同步发电机的气隙磁链定向控制

4．1 电励磁同步发电机的数学模型

4．1．1 静止坐标系下的数学模型

4．1．2 dq同步旋转坐标系下的数学模型

4．1．3 MT轴系下的数学模型

4．2 电励磁同步发电机气隙磁链定向控制原理

4．3 基于改进二阶广义积分器的新型磁链观测器

4．3．1 磁链观测器的原理

4．3．2 ISOGI的实现及性能

4．3．3 基于ISOGI磁链观测器的实现

4．4 电励磁同步发电机气隙磁链定向控制系统

4．5 仿真和实验研究

4．5．1 仿真研究

4．5．2 实验研究

4．6 本章小结

5 电励磁同步发电机的弱磁控制

5．1 电励磁同步发电机弱磁控制原理

5．1．1 电励磁同步发电机弱磁控制的边界条件

5．1．2 电励磁同步发电机全速度范围内的优化控制方法

5．2 传统的电励磁同步电机弱磁控制策略

5．2．1 动态定子励磁电流补偿的弱磁方案

5．2．2 仿真和实验研究

5．3 基于虚拟阻抗的定、转子综合弱磁控制

5．3．1 虚拟阻抗

5．3．2 基于虚拟阻抗的弱磁控制方案

5．3．3 弱磁控制方案的性能分析

5．3．4 仿真和实验研究

5．4 基于单电流调节器的弱磁控制

5．4．1 单电流调节器

5．4．2 基于单电流调节器的弱磁控制方案

5．4．3 仿真和实验研究

5．5 本章小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 后续研究工作展望

参考文献

附录

索引

作者简历

在国际和国内学术刊物上发表的论文

攻读博士期间发表专利

攻读博士期间承担主要科研项目工作

学位论文数据集