直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電變流器若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著世界各國(guó)對(duì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力支持和研究，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，裝機(jī)容量大大增加。由于永磁同步電機(jī)具有機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低、無(wú)增速齒輪箱及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到廣泛應(yīng)用。但是在直驅(qū)方案中，變流器作為風(fēng)力所發(fā)電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，對(duì)其容量、可靠性、響應(yīng)速度和并網(wǎng)特性等要求很高;變流器的設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)也一直是直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的瓶頸和難點(diǎn)問(wèn)題，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。
　　本文重

2、點(diǎn)關(guān)注了直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電變流器的建模、限制功率控制、低電壓穿越過(guò)程中的檢測(cè)與不對(duì)稱控制算法、永磁電機(jī)無(wú)速度傳感器算法以及系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵問(wèn)題，采用理論分析、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行了相對(duì)深入與系統(tǒng)的研究:
　　將全功率變流器的控制分為機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器兩個(gè)部分進(jìn)行建模與控制分析。對(duì)于機(jī)側(cè)變流器的控制而言，為了避免在大風(fēng)條件下運(yùn)行時(shí)存在的電機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)及SVPWM過(guò)調(diào)制現(xiàn)象，在原有控制策略的基礎(chǔ)上增加了限制功率及機(jī)端電壓的PI

3、調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)側(cè)變流器控制策略，仿真及現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可靠性及有效性。對(duì)于網(wǎng)側(cè)變流器的控制，建立了LCL型濾波器電壓源變流器的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了針對(duì)LCL型濾波的VSC控制算法，仿真及現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。
　　針對(duì)直驅(qū)風(fēng)電變流器多電平化的發(fā)展需求，為了改善不平衡負(fù)載條件下三電平中點(diǎn)鉗位型(NPC)電壓型并網(wǎng)逆變器的輸出電壓波形，基于延時(shí)信號(hào)消除(DSC)算法對(duì)電壓正負(fù)序分量進(jìn)行分離，分別在正向負(fù)

4、向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制。但是該方法在修正了電壓波形的同時(shí)，將進(jìn)一步增加輸出電流的不對(duì)稱性，這將加劇在空間矢量調(diào)制下三電平NPC電壓型逆變器中點(diǎn)電位的波動(dòng)。基于此分析了負(fù)序電流分量對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)的影響，找出了一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)控制冗余小矢量的作用時(shí)間對(duì)中點(diǎn)電位調(diào)整能力的邊界，從而建立了中點(diǎn)電位控制的空間矢量調(diào)制算法。仿真結(jié)果表明該控制方案下，負(fù)序電壓分量在負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下得到控制，同時(shí)負(fù)序電流作用使得中點(diǎn)電位的波動(dòng)加劇，但是在空間矢量中點(diǎn)

5、電位調(diào)制下，中點(diǎn)電壓波動(dòng)得到抑制。
　　為了實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越(LVRT)能力，查明了其關(guān)鍵技術(shù)在于:三相電網(wǎng)信息的快速準(zhǔn)確提取、電壓跌落期間的能量管理和網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)不對(duì)稱條件下的運(yùn)行與控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)信息的快速準(zhǔn)確提取，設(shè)計(jì)了基于級(jí)聯(lián)DSC算法的軟件鎖相環(huán)技術(shù);能量管理的主要措施是在直流側(cè)安裝制動(dòng)單元，將LVTR期間無(wú)法送入電網(wǎng)的多余能量消耗掉;針對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱電壓跌落下的情況，設(shè)計(jì)了基于正負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)控制

6、的控制策略、變流器保護(hù)策略以及無(wú)功補(bǔ)償策略，通過(guò)風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證LVRT技術(shù)的可行性和有效性。
　　為了提高風(fēng)電變流器的設(shè)計(jì)研發(fā)效率與匹配性，模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，搭建了兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。首先建立了兩套繞組間具有30°相差的六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)鑒于系統(tǒng)的實(shí)際需要，提出了一種基于高階非奇異終端滑模觀測(cè)器的無(wú)傳感器控制方法，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明算法的有效性。另外，采用脈動(dòng)高頻電壓信號(hào)注入法，實(shí)現(xiàn)了六相永