基于虚拟同步发电机的永磁直驱风电机组主动支撑控制策略研究

摘要

近年来，风电因其所具有的诸多优点得到了快速的发展，但随着风电占比的不断提高，电网惯量与阻尼下降等问题随之出现，影响了电网频率与电压的稳定性。因此，风电参与系统的调压调频势在必行。针对上述问题，本文将虚拟同步发电机（Virtual synchronous generator,VSG）的控制策略应用于直驱式永磁风电机组（Permanent magnet synchronous generator,PMSG）的并网控制中，机侧变流器采用恒直流电压控制维持直流电压恒定，网侧变流器采用VSG控制策略进行并网控制。与传统的网侧变流器相比，该控制策略所述的电压源型VSG可以模拟同步发电机的有功-频率和无功-电压的动态特性，调节系统的惯量、阻尼以及阻抗。对增强风电机组的主动支撑能力，参与系统的调压调频有着非常重要的意义。 首先，分析了直驱式永磁风电机组的拓扑结构与模型以及风电输出功率的控制方法，对风电机组的虚拟惯量进行了建模与推导，并针对惯量支撑与一次调频在主动支撑控制中的原理与作用进行了分析。随后，详细论述了一种电压源型VSG的控制策略，对照传统同步发电机进行了励磁器、调频器与内环控制器设计，并提出将系统实际物理参数结合到虚拟绕组的设计中，以消除其对变流器控制的影响。在电磁暂态的层面进行了控制器传递函数的推导，并通过波特图在复频域下分析了控制器参数的变化对系统稳定性的影响；同时还分析了高风电占比系统的功率分配与VSG相关参数设计之间的关系。通过上述分析，论述了相关参数的综合选取原则。 最后，将该控制策略由单机推广到多机，构建并联风电机组的并网等效模型，提出了基于直流汇集的风电机组多机共直流并行控制策略。研究了基于VSG的多机共直流并网方式下的主动支撑能力。采用基于直流汇集的多机组并行控制策略可以有效地避免交流汇集时的电压同步与谐波问题，并且减少了网侧变流器数量提高了经济性。根据直流母线电压的不同控制方式，分析并对比了主从控制与直流下垂控制策略的不同，并提出了利用直流电容提供虚拟惯量的方法。为了验证本文所提控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，在不同工况与运行方式下验证了所提控制策略的正确性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 风电并网主动支撑技术的研究现状

（1）超速减载控制策略

（2）变桨控制

1.3 论文主要研究内容

第2章 直驱式风电机组的主动支撑特性分析

2.1 永磁直驱风电机组建模

2.1.1 风轮机模型

2.1.2 同步发电机模型

2.1.3 机侧变流器拓扑结构与传统控制策略

2.1.4 网侧变流器拓扑结构与传统控制策略

2.2 风电机组传统有功控制策略

2.2.1 最大功率追踪控制策略

2.2.2 桨距角控制

2.2.3 超速减载控制

2.3 VSG惯量与一次调频辨析

2.3.1 风电机组虚拟惯量分析

2.3.2 VSG惯量支撑与一次调频的区别与联系

2.4 本章小结

第3章 基于VSG的直驱式风电机组主动支撑控制策略

3.1 总体控制框图与拓扑结构分析

3.2 VSG的建模与控制策略分析

3.2.1 励磁器设计

3.2.2 调频器设计

3.2.3 内环控制器设计

3.3 VSG参数设计与系统传递函数分析

3.3.1 有功-相角传递函数分析

3.3.2 无功-电压传递函数分析

3.4 VSG参数设计与系统功率分配原则

3.4.1 有功功率分配原则

3.4.2 无功功率分配原则

3.5 直流电压定向的机侧变流器设计

3.6 基于VSG的直驱式风电机组仿真分析

3.6.1 负荷突变后的仿真验证

3.6.2 风速变化后的仿真验证

3.6.3 减载控制下的仿真验证

3.6.4 不同控制参数下的仿真验证

3.7 本章小结

第4章 永磁直驱风电机组共直流并行控制策略

4.1 风电机组并行等效模型

4.2 基于VSG的风电机组并行主从控制策略

4.2.1风电机组等效虚拟惯量分析

4.2.2 基于VSG的主从控制策略仿真验证

4.3 基于VSG的风电机组并行下垂控制策略

4.3.1 有功-直流电压下垂控制策略分析

4.3.2 基于VSG的下垂控制策略仿真验证

4.4 基于PLL的风电机组并行下垂控制策略

4.4.1 基于直流电容器的虚拟惯量分析

4.4.2 基于PLL的下垂控制策略仿真验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢