变速永磁同步风力发电系统交直流并网低电压穿越技术研究

摘要

风力发电是世界增长最快的新能源，近年来装机容量持续快速增长，并呈现大型化、规模化趋势。随着风电在电力系统中的比重日益加大，大型风电基地的安全稳定运行、并网消纳、远距离输送引起了风电行业的高度重视，因此风力发电系统的低电压穿越（LVRT）技术以及轻型直流输电(VSC-HVDC)输电技术己成为风电技术研究的热点。本文在对双馈异步发电机组(DFIG)、永磁同步发电机组(PMSG)两种主流变速恒频风力发电系统及其LVRT特性进行对比分析后，选择PMSG风力发电系统为研究对象，重点对PMSG风力发电系统经交流及直流并网的LVRT技术展开研究。主要研究内容包括以下几点:
　　(1)建立风力机的精确数学模型，并采用直流电动机直接转矩控制仿真模拟风力机特性;建立PMSG及机组并网变流器的模型，设计电网侧和电机侧变流器的控制电路，实现功率解耦控制、最大风能跟踪控制等功能并进行仿真分析;将直流电动机与PMSG机组构成风力发电系统，搭建直流电动机控制系统和PMSG控制系统组成实验系统，设计微机控制软件并进行实验验证。
　　(2)剖析PMSG风力发电系统在电网电压跌落期间的暂态特性，指出其在交流并网时存在的问题，对PMSG风力发电系统目前采用的典型LVRT技术方案进行比较并指出其不足;提出基于分层控制的PMSG风力发电系统LVRT技术，研究分层控制策略并设计算法流程;对LVRT分层控制算法进行详细的仿真分析，并通过实验系统验证其可行性。
　　(3)提出一种并网侧附加变流器的PMSG风力发电系统新型拓扑结构，并提出风电并网逆变和APF统一控制的理论;建立副变流器的数学模型，设计其稳态时作为APF运行的控制算法;分析新型拓扑结构的PMSG风力发电系统在电网电压跌落期间的暂态特性，提出LVRT期间主、副变流器无功支持的原理，结合发电机功率控制、直流卸荷电路提出LVRT分层控制策略;对其稳态APF控制算法及暂态LVRT分层控制算法进行详细的仿真分析，并在实验系统上进行验证。
　　(4)分析PMSG风力发电系统采用VSC-HVDC直流并网输电的优点;建立VSC-HVDC变流器在三相静止及同步旋转坐标系下的模型，同时建立直流线路的数学模型，构成VSC-HVDC系统的全状态模型;分析VSC-HVDC变流站的控制方式及其选择原则，并设计相应的控制器;提出VSC-HVDC联接PMSG风电场的直流风力发电系统结构，探讨稳态运行状态下VSC-HVDC和风电机组各变流器的控制策略。
　　(5)分析通过VSC-HVDC并网的PMSG风力发电系统的暂态特性;提出基于电压控制的VSC-HVDC并网PMSG风力发电系统LVRT控制策略，设计风电场侧VSC-HVDC变流站的交流电压控制算法，并提出相应的PMSG风电机组LVRT分层控制，共同构成基于电压控制的LVRT协调控制策略。
　　(6)提出基于频率控制的VSC-HVDC系统LVRT控制策略，设计风电场侧VSC-HVDC变流站的频率控制算法。提出采用VSC-HVDC直流线路电压作为电网故障的判据，有效地消除了通讯延迟;提出通过VSC-HVDC并网的PMSG风力发电系统相应的风电机组LVRT分层控制策略，并与VSC-HVDC的频率控制算法共同构建基于频率控制的LVRT协调控制策略。

目录

声明

摘要

专用词汇注释

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 风力发电概述

1．1．2 风力发电技术发展与研究热点

1．2 风力发电系统低电压穿越技术标准与特性分析

1．2．1 风力发电系统低电压穿越技术标准

1．2．2 交速恒频风力发电系统分析与比较

1．2．3 风力发电系统低电压穿越特性比较

1．3 风力发电系统低电压穿越技术研究现状

1．3．1 改进控制策略的LVRT技术

1．3．2 增加硬件电路的LVRT技术

1．3．3 电网侧对LVRT能力的影响

1．4 选题依据及论文主要工作

1．4．1 选题依据

1．4．2 技术路线

1．4．3 研究内容与章节安排

第2章 PMSG风力发电系统建模与运行控制

2．1 引言

2．2 风力机数学模型

2．2．1 风力机特性分析

2．2．2 风力机数学模型

2．3 PMSG数学模型

2．3．1 PMSG结构分析

2．3．2 PMSG数学模型

2．4 PMSG并网运行控制

2．4．1 PMSG变流器数学模型

2．4．2 PMSG并网运行控制

2．5 仿真与分析

2．6 实验研究

2．6．1 风力机模拟实验系统

2．6．2 PMSG交流并网实验系统

2．6．3 实验装置及参数

2．6．4 实验结果

2．7 本章小结

第3章 交流并网PMSG风力发电系统LVRT技术研究

3．1 引言

3．2 PMSG风力发电系统暂态特性分析

3．2．1 PMSG交流并网风力发电系统概述

3．2．2 电网电压跌落时系统暂态特性

3．3 PMSG风力发电系统典型LVRT技术

3．3．1 发电机功率控制

3．3．2 风力机变桨控制

3．3．3 直流侧卸荷电路

3．3．4 直流侧储能电路

3．4 基于分层控制的PMSG风力发电系统LVRT技术研究

3．4．1 LVRT分层控制原理

3．4．2 LVRT分层控制算法

3．4．3 仿真与分析

3．4．4 实验研究

3．5 基于附加变流器的PMSG风力发电系统LVRT技术研究

3．5．1 附加变流器PMSG风力发电系统概述

3．5．2 电网电压跌落时系统的运行特性

3．5．3 附加交流器PMSG风力发电系统LVRT算法

3．5．4 仿真与分析

3．5．5 实验研究

3．6 本章小结

第4章 基于VSC-HVDC的风电并网系统运行控制研究

4．1 引言

4．2 风力发电直流并网方式

4．2．1 PCC-HVDC方式

4．2．2 VSC-HVDC方式

4．3 VSC-HVDC的数学模型

4．3．1 VSC-HVDC的结构和运行机理

4．3．2 三相静止坐标系的数学模型

4．3．3 两相旋转坐标系的数学模型

4．4 VSC-HVDC控制器的设计

4．4．1 功率控制器设计

4．4．2 电压控制器设计

4．5 风电场直流并网的系统结构

4．6 仿真与分析

4．7 本章小结

第5章 基于VSC-HVDC并网的PMSG风电系统LVRT技术研究

5．1 引言

5．2 基于VSC-HVDC并网风力发电系统暂态特性分析

5．2．1 基于VSC-HVDC并网风力发电系统概述

5．2．2 电网电压跌落时的系统暂态特性分析

5．3 基于VSC-HVDC并网风力发电系统LVRT技术研究现状

5．3．1 增大功率器件容量

5．3．2 增加直流卸荷电路

5．3．3 降低风电场输出功率

5．4 基于电压控制的LVRT协调控制研究

5．4．1 VSC-HVDC系统控制策略

5．4．2 风电机组控制策略

5．4．3 仿真与分析

5．5 基于频率控制的LVRT协调控制研究

5．5．1 VSC-HVDC系统控制策略

5．5．2 风电机组控制策略

5．5．3 仿真与分析

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的论文

致谢