直驱式永磁风电机组新型并网方式的研究

论文摘要

风力发电经过几十年的发展,已经完成了从定桨距失速调节到变桨距调节、从恒速恒频到变速恒频的转变。直驱式永磁同步风力发电系统（D-PMSG）是一种变桨距、变速恒频的风力发电形式,凭借其显著的技术优势受到越来越多的关注。本文以背靠背的双PWM变流器D-PMSG为对象,研究了其并网方式,主要内容如下：建立了双PWM变流器的D-PMSG的数学模型（包括风力机空气动力学模型,永磁发电机数学模型,PWM变流器数学模型）,研究了D-PMSG完整的控制方法。通过变桨距角控制,保持风力发电机组在超过额定风速时以额定功率安全运行。采用转子磁场定向的矢量控制方法实现了发电机侧有功功率与无功功率的解耦控制和机组转速的控制。网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略实现了电网侧逆变器有功、无功的解耦控制。分析了目前国内外直驱式永磁风电场的并网方式,通过对各种并网方式的优缺点的比较,提出了一种新型的直驱式永磁风电机组并网方式,这种并网方式过程是：通过一台PWM全功率变流器将多台机组并网,机侧整流器控制风力发电机的转速和电压大小,控制发电机定子侧电压与网侧电压在幅值差、频率差、相角差满足准同期并网条件时,直接将发电机定子连接在箱式变压器上,短接串接在主电路中的交-直-交变流器,电能在换流站变换为工频再通过变压器升压送入主电网,短接的PWM全功率变流器再以同样方法将其他机组并入电网。在PSCAD/EMTDC中对所提的并网方法进行了仿真验证,仿真结果验证了这种方法在技术上的可性行。本文提出的并网方式省去了传统的直驱式永磁机组每台机组都要串接的全功率变流器,但是一条低频母线上所有机组转速相同,被等效为一台发电机,背靠背换流站统一同步调整各发电机的转速,导致一些机组不能运行在最佳风能利用特性上,部分风能损失,同时又增加了大容量换流站。通过对传统并网结构与新型并网结构经济对比,分析了初始投资,年发电量,投资回报这些因素,结论是本文提出的新型并网结构在经济上具有可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外风电发展概况
• 1.1.1 国外风电发展概况
• 1.1.2 我国风电发展概况
• 1.2 并网型风电机组研究现状及发展方向
• 1.2.1 定桨距调节技术和变桨距调节技术
• 1.2.2 变速恒频双馈风电机组
• 1.2.3 变速恒频直驱式永磁风电机组
• 1.2.4 风电技术发展方向
• 1.3 直驱式永磁风电机组并网方式的研究现状
• 1.3.1 国内直驱式永磁机组并网方式现状
• 1.3.2 国外直驱式永磁机组并网方式现状
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 双PWM直驱永磁风力发电机组的数学模型
• 2.1 风力机的空气动力学模型
• 2.2 永磁同步发电机数学模型
• 2.3 网侧逆变器数学模型
• 2.4 DC-link直流环节
• 2.5 本章小结
• 3 双PWM直驱永磁风电机组控制系统研究
• 3.1 风力机控制系统
• 3.2 机侧整流器的控制
• 3.3 网侧逆变器的控制
• 3.4 电压源型变流器空间矢量PWM控制原理
• 3.4.1 三相电量空间矢量表示
• 3.4.2 空间矢量调制原理
• 3.5 本章小结
• 4 双PWM直驱永磁风电机组新型并网系统设计
• 4.1 目前双PWM直驱永磁风电机组并网方式
• 4.2 新型直驱永磁风电机组并网方式
• 4.2.1 并网过程
• 4.2.2 并网控制器设计
• 4.3 并网过程仿真
• 4.3.1 第一台机组并网
• 4.3.2 第二台机组并网
• 4.4 并网后机组功率控制
• 4.4.1 变桨距控制输出有功功率
• 4.4.2 变转速控制输出有功功率
• 4.5 本章小结
• 5 经济成本分析
• 5.1 风电成本分析方法
• 5.1.1 期望发电量模型
• 5.1.2 风电实际成本计算模型
• 5.2 影响风电成本的因素
• 5.2.1 风速对成本的影响
• 5.2.2 风机特性的影响
• 5.2.3 初始投资、运行维护费用对成本的影响
• 5.2.4 贷款利率、寿命期对成本的影响
• 5.3 传统并网结构与新型并网结构经济对比
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本论文的主要成果
• 6.2 进一步工作设想
• 致谢
• 参考文献
• 论文发表情况