直驱风力发电系统故障穿越技术研究

论文摘要

世界对清洁能源的需求,推动着风力发电行业迅猛发展。但大规模的风力发电系统的接入对电网稳定性产生了较大影响,为此对风力发电系统并网提出了新的挑战——故障穿越能力。目前日益完善的大功率变流技术和高性能永磁材料技术,以及直驱永磁风力发电系统的简单结构、可靠技术、高电能质量和低维护成本等优点在全世界都得到了验证。较之双馈风力发电系统1/3的变流器容量,使用全功率变流器技术的直驱永磁风力发电系统更容易实现低压穿越,并且不需要吸收电网无功,所以更能满足电网对风力系统并网的苛刻要求。本文围绕直驱风力发电系统低压穿越技术展开相关研究,并依托西南交通大学实验建设项目“微网及控制实验平台”展开了一系列的实验工作。首先研究基于时空矢量图的直驱永磁电机稳态分析方法和基于坐标变换理论的电机动态分析方法,以此推导并建立电网三相电压非故障条件下永磁电机和网侧变流器的数学模型和单位功率因数矢量控制算法,并通过Matlab/Simulink仿真验证模型和控制算法的正确性。其次,完成负序电压在正序坐标系中存在形式的物理分析和数学推导,建立出基于电网不对称故障条件网侧变流器的数学模型,并完成正负序分解控制策略方案设计。然后着重研究直驱风力发电系统的单位功率因数矢量控制在电网对称故障和非对称故障条件下的系统响应,得出系统在电网电压跌落期间失控原因的结论。据此提出基于Crowbar卸荷电路和STATCOM运行策略的直驱风力发电系统的低压穿越方案,并利用Matlab/Simulink验证方案的有效性和可靠性。最后,依托“微网及控制实验平台”项目设计5KW实验样机,包括双DSP+FPGA构架的数字控制系统、直驱永磁发电机和并网变流器三大部分,进行直驱风力发电系统各种关键技术实验与测试,有效完成了机侧和网侧单位功率因数的矢量控制策略,验证算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外风力发电研究现状
• 1.3 本文研究意义和主要内容
• 第2章 直驱风力发电系统基本理论与控制策略
• 2.1 同步电机分析基本理论
• 2.1.1 同步电机稳态分析方法与相量图
• 2.1.2 交流电机动态分析方法与坐标系、坐标变换基础
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 永磁同步电机的物理模型
• 2.2.2 永磁同步电机数学模型的建立
• 2.3 永磁同步电机的控制方案与仿真
• 2.3.1 永磁同步电机的控制方案
• 2.3.2 电机控制模型
• 2.3.3 永磁同步发电机控制系统仿真
• 2.4 电压型三相脉冲整流器的基本原理
• 2.5 电压型三相脉冲整流器稳态数学模型与仿真
• 2.51 电压型三相脉冲整流器统一数学模型的建立
• 2.5.2 电网稳态运行条件下电压型脉冲整流器的控制技术与仿真
• 2.6 小结
• 第3章 直驱风力发电系统低压穿越理论分析与仿真
• 3.1 电网电压故障下正负序坐标变换问题的分析
• 3.2 电网故障条件下变流器（VSR）系统的分析与建模
• 3.2.1 电网电压不对称条件下三相VSR系统分析与建模
• 3.2.2 基于正负序双电流内环的三相VSR的控制技术
• 3.3 直驱发电系统低压穿越技术分析
• 3.3.1 直驱风力发电系统对称电压跌落故障响应分析
• 3.3.2 直驱风力发电系统不对称电压跌落故障响应分析
• 3.3.3 低压穿越技术方案及其保护电路
• 3.4 小结
• 第4章 直驱风力发电系统设计
• 41 微电网及控制实验系统
• 4.2 直驱风力发电主系统结构
• 4.3 控制系统设计
• 4.3.1 系统组成及其主要功能
• 4.3.2 数据采集电路设计
• 4.3.3 主控系统构成及其功能
• 4.4 控制系统软件构架
• 4.4.1 FPGA系统模块构架
• 4.4.2 DSP系统软件构架
• 4 5小结
• 第5章 直驱风力发电系统样机实验与实验结果分析
• 5.1 直驱风力发电系统实验系统构成
• 5.2 直驱风力发电系统基本实验测试与实验结果分析
• 5.2.1 永磁同步发电机转子位置的测量
• 5.2.2 机侧变流器单位功率因数矢量控制实验与测试
• 5.2.3 网侧变流器单位功率因数矢量控制的测试实验
• 5.3 直驱系统整机试验结果及其分析
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文