直驱式永磁同步风力发电机在不平衡电网电压下的控制

摘要

随着直驱式永磁同步风电机组容量的不断增加，它对电网的重要性也日益明显，直接影响到所并电网运行的稳定性和电能质量，因此，电网运营商从电网安全角度出发，提出了风电机组在外部电网故障时还应有不脱网运行（穿越）能力。目前，我国现有的直驱式永磁同步风电机组控制仅局限于平衡电网下运行，但真实的电网时刻有可能存在着电压瞬变及不对称故障。直驱式永磁同步风电机组变速恒频运行采用理想大电网条件下的控制策略，不能适应我国风电机组一般所并弱电网的现实，也不能从控制上保证风电系统的运行安全，因此，必须建立适应故障穿越的控制新模型，确立新的控制策略和技术。在此背景下，本文选择直驱式永磁同步风力发电机为研究对象，将对直驱风电系统在不平衡电网电压下的运行与控制进行研究。
　　 本文利用空间矢量法建立了直驱式永磁同步风力发电机的统一数学模型，然后在此模型基础上研究了电网电压正常时，电网稳态小值不平衡电网电压时与电网发生不对称故障所引起的大值不平衡电网电压时的直驱式永磁同步风力发电机控制策略。
　　 本文以湘潭电机股份有限公司(XE-82型)2MW永磁同步风力电机为例，对不平衡电网电压下永磁同步风力发电机的运行与控制技术进行了仿真分析，同时以2kW背靠背双PWM变流器为例进行了实验分析，实现了采用背靠背全功变流器直驱式永磁同步风力发电机在小值与大值不平衡电网电压下的运行控制，仿真与实验表明本文所提的控制策略运用于永磁同步风力发电机的故障运行时可行的，对实现永磁同步风力发电机不对称故障穿越具有参考意义，本文主要研究内容和创新性的成果如下:
　　 (1)在直驱式永磁同步风力发电机数学模型的基础上研究了电网电压正常时适用于该系统的一种稳态控制策略并进行了仿真验证。为进一步研究直驱式永磁同步风力发电机在电网异常条件下的运行与控制奠定了基础。通过在直流侧母线侧加入能量泄放环节在仿真中实现了电网电压对称跌落至额定电压20％工况下的穿越运行。
　　 (2)通过对内置式永磁同步风力发电机数学模型的推导，本文提出了一种新型的通用型滑模观测模型，既适用于Ld=Lq的情况，又适用于Ld≠Lq的情况。并从观测系统中影响位置观测精度的因素出发，对观测器中滤波器的选择与角度补偿的原则进行较深入分析，并进行了仿真验证来证明所提算法的正确性。
　　 (3)对在正负序同步旋转坐标系下正序电流与负序电流分别采用PI控制器与在正序同步坐标系下采用比例积分谐振控制器两种抑制小值不平衡电网电压下并网电流中的负序含量的方法进行了详细的对比研究。提出一种机侧变流器电流控制策略来抑制在小值不平衡电网电压下直流侧母线电压2倍电网频率波动引起机侧变流器转矩2倍电网频率脉动。
　　 (4)提出了在电网电压发生不对称跌落故障时的逻辑控制，通过理论分析，将直流侧能量泄放回路分别与网侧变流器正负序电压分别定向正负序同步旋转坐标系正负序双电流环控制策略、正负序电压分别定向正序坐标系采用PI-RES控制器单电流环矢量控制策略以及本文提出的基于比例积分谐振控制器的空间矢量调制直接功率控制策略相结合实现了不平衡度超过50％的不对称故障穿越。
　　 (5)本文在2MW永磁同步电机实验平台上对本文所提的对称电网电压下直驱式永磁同步风力发电机变流器网侧变流器控制策略与机侧变流器无位置传感器控制策略进行了实验验证，实验证明了控制策略的有效性。同时本文建立2kW背靠背双PWM变流器对本文所提在大值不平衡电网电压下的控制策略结合直流侧能量泄放回路进行了详细的实验研究，以实验结果来验证相关分析的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 风力发电研究背景与意义

1．1．1 能源危机与可再生能源

1．1．2 风力发电的发展概况

1．2 风力发电技术的发展趋势

1．3 直驱型永磁同步风力发电机的基本概况

1．3．1 直驱型永磁同步风力发电机的主要拓扑

1．3．2 直驱式永磁同步发电机在电网正常运行下的控制策略

1．3．3 D-PMSG在不平衡电网电压下控制技术研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 直驱式永磁同步风力发电机在对称电网电压下的建模及控制

2．1 引言

2．2 网侧PWM变流器的数学建模与控制

2．2．1 静止坐标系下PWM变流器数学模型

2．2．2 坐标变换与变换矩阵

2．2．3 两相静α-β坐标系与两相同步旋转d-q坐标系下的数学模型

2．2．4 基于电网电压定向的网侧PWM变流器矢量控制

2．2．5 仿真分析

2．3 永磁同步发电机(PMSG)的数学建模与无位置传感器控制

2．3．1 两相定子静止坐标系中PMSG的数学模型

2．3．2 两相同步旋转d-q坐标系中PMSG的数学模型

2．3．3 基于转子磁场定向的D-PMSG机侧变流器isd=0控制策略

2．3．4 考虑电机凸极效应基于滑模变结构理论PMSG位置观测器

2．3．5 仿真分析

2．4 直驱永磁同步发电机在电网对称跌落情况下的控制

2．4．1 基于耗能电阻控制策略

2．4．2 仿真分析

2．5 小结

第3章 直驱式永磁同步风力发电机在小值不平衡电网电压下的建模及控制

3．1 引言

3．2 小值电网电压不平衡时网侧变流器的建模

3．3 不平衡分量正负序分解

3．3．1 滤波器策略

3．3．2 相位延时策略

3．4 小值电网电压不平衡时网侧变流器的控制

3．4．1 正负序同步旋转坐标系下双电流环矢量控制策略

3．4．2 基于PI-RES正序同步旋转坐标系单电流环矢量控制策略

3．4．3 仿真分析

3．5 直流侧母线电压二倍电网频率稳态波动条件下机侧变流器的控制

3．5．1 直流侧母线电压二倍电网频率稳态波动对机侧变流器的影响

3．5．2 仿真分析

3．6 小结

第4章 直驱式永磁同步风力发电机在不对称电网故障下的穿越运行

4．1 引言

4．2 不对称电网故障下的直驱式永磁同步风力发电机的控制

4．2．1 不对称电网故障下D-PMSG故障穿越逻辑控制

4．2．2 基于正负序电压分别定向的有功电流／无功电流解耦

4．2．3 正负序电压定向正负序同步坐标系双电流环矢量控制策略

4．2．4 正负序电压定向正序旋转坐标系下电流环矢量控制策略

4．2．5 不对称电网故障下D-PMSG网侧变流器功率指令分析

4．3 不对称故障状态下D-PMSG网侧变流器直接功率控制

4．3．1 网侧变流器采用SVM-DPC在平衡电网电压下的内环控制策略

4．3．2 网侧变流器采用SVM-DPC在不平衡电网电压下的内环控制策略

4．4 仿真分析

4．4．1 基于正负序电压定向双电流环矢量控制策略仿真结果

4．4．2 基于正负序电压定向单电流环矢量控制策略仿真结果

4．4．3 网侧变流器采用SVM-DPC在不平衡电网电压下的内环控制策略

4．5 小结

第5章 直驱式永磁同步风力发电系统实验分析

5．1 引言

5．2 兆瓦级试验平台的构成

5．3 兆瓦级变流器控制系统的软硬件设计

5．3．1 控制系统硬件设计

5．3．2 控制器软件流程图

5．4 兆瓦级变流器在对称电网电压下的试验研究

5．4．1 网侧变流器直流母线预充电及稳压过程

5．4．2 机侧变流器滑模位置观测

5．4．3 机侧变流器无冲击启动实验

5．4．4 对拖模拟发电实验

5．5 2kW背靠背双PWM变流器不平衡电网电压实验

5．6 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 实验系统主要参数

附录B 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录C 攻读学位期间参与科研项目