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基于直驱永磁同步风力发电机组的低电压穿越技术研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 风力发电的发展现状及趋势

1.2.1 国外风力发电的发展现状及趋势

1.2.2 国内风力发电的发展现状和趋势

1.3 低电压穿越技术国内外的发展现状和趋势

1.3 直驱永磁同步风力发电系统机型

1.4 研究内容

第2章 直驱永磁同步风力发电系统数学模型及控制策略

2.1 风力机运行原理及数学模型

2.1.1 风能的计算

2.1.2 贝兹理论

2.1.3 风力机的特性系数

2.1.4 风力机的数学模型

2.2 机侧变流器数学模型及控制策略

2.2.1 永磁同步发电机的数学模型

2.2.2 机侧控制策略

2.2.3 PI参数计算方法

2.3 网侧变流器数学模型及控制策略

2.3.1 直流环节

2.3.2 网侧变流器数学模型

2.3.3 网侧控制策略

2.3.4 PI参数计算方法

2.4 本章小结

第3章 直驱永磁同步风力发电系统的仿真

3.1 风力机仿真模型

3.1.1 风力机特性分析

3.1.2 风力机建模

3.2 机侧控制器仿真模型

3.2.1 永磁同步发电机的参数选择

3.2.2 机侧控制器建模

3.3 网侧控制器仿真模型

3.3.1 交流侧电感和直流侧电容参数选择

3.3.2 网侧控制器建模

3.4 系统整体仿真模型

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

第4章 电网电压对称跌落时低电压穿越技术研究

4.1 电网电压跌落描述

4.2 电压跌落响应特性分析

4.2.1 中间直流环节跌落特性分析

4.2.2 网侧变流器跌落特性分析

4.2.3 风电系统跌落特性仿真

4.3 低电压穿越技术分析

4.4 直流侧保护

4.4.1 直流侧保护电路方案分析

4.4.2 基于耗能Crowbar保护电路的方案

4.4.3 基于储能Crowbar保护电路的方案

4.5 网侧变流器无功补偿理论

4.6 其他辅助策略

4.6.1 桨距角控制

4.6.2 叶尖速比控制

4.7 本章小结

第5章 电网电压不对称跌落时直流母线电压的控制

5.1 电网电压不对称跌落时直流母线电压波动分析

5.2 电网正负序电压分别定向矢量控制

5.3 直流侧能量释放电路

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

随着风电技术的发展,并网风力发电系统的低电压穿越问题越来越受到关注。电网穿透率较高的情况下,如果风力发电机在电网故障期间退出运行,将会给电网造成严重的影响。拥有先进风电技术的国家先后颁布了对于故障时穿越的定量的标准,在电网出现故障时需要风机保持不脱网工作,并能对电网进行无功补偿,到故障结束为止。相较于恒速的风力发电系统,在捕获风能方面变速风力发电系统的能力更加出色,可以高效的将风能转换成电能。由于具备低转速、高效率、高功率因数这些优点,直驱永磁同步发电机尤为适合变速风力发电系统。本文围绕直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越问题展开研究,并通过仿真验证了主要理论研究成果的正确性。
  首先阐述了风能的基本理论,搭建了风力机及PWM变流器的数学模型,通过分析能量在变流器间的传输过程来研究双PWM变流器的数学模型。机侧变流器采用转子磁场定向id=0矢量控制策略,网侧变流器采用电网电压定向矢量控制策略。
  其次分别建立起仿真模型,通过仿真验证所建立起来的仿真模型以及控制策略的正确性,为研究直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越技术建立了良好的仿真平台。
  然后分析直驱永磁同步风力发电机组网侧变流器在电网电压三相对称跌落时的运行情况,通过对直驱永磁同步风力发电系统在电网电压三相对称跌落时运行状态的仿真,从而完成对正确性的验证,指出了风力发电系统在没有采取任何相应措施的情况下将会受到的损害。为了消除直流母线过电压,可以通过在直流侧增加Crowbar保护电路实现。为了满足电网电压跌落期间对无功的需求,需要改进网侧变流器控制策略为无功控制策略。简单介绍了两种代表性的辅助控制策略,包括桨距角控制、叶尖速比控制。
  最后对电网电压不对称跌落时的直驱永磁同步风力发电机组网侧变流器的功率传输进行研究,得出电网正负序电压分别定向矢量控制策略,对于直流母线电压的震荡予以有效的抑制。在直流侧添加能量释放电路,当直流母线电压过高时将能量释放,从而降低直流母线过电压,由以上可实现直驱永磁同步风力发电机组在电网不对称跌落时的在线连接。

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