兆瓦级并网型永磁直驱风电机组建模与控制

【摘要】：永磁直驱风力发电系统在当今社会得到了广泛的应用。基于PSCAD仿真平台，对永磁直驱风力发电系统中常见的两种拓扑双PWM型拓扑和不控整流接升压斩波型拓扑进行了详尽的数学建模分析和控制策略研究，对全风速范围内的两种拓扑各阶段运行情况进行了对比分析，并检验了系统的低电压穿越能力。 详细推导了两种拓扑的永磁直驱风力发电系统各部分的数学模型，包括风轮、传动链、永磁同步发电机、机侧和网侧变流器、直流环节、卸荷电路等。为增强模型通用性，还推导了风电系统各部分的标幺化数学模型。 就两种拓扑的风力发电系统的控制策略进行详细分析。对于风轮的控制策略，比较了基于叶尖速比、功率和转矩信号的最大功率跟踪控制方式，分析了额定风速以上时系统的桨距角控制方式，进而给出了全风速范围内两种拓扑的风力发电系统的总控制策略。对于双PWM型系统机侧和网侧变流器的控制策略，分别采用零d轴电流控制和电网电压定向控制；对于不控整流接升压斩波型系统变流器则分别采用直流侧电流控制和电网电压定向控制。 基于PSCAD平台，在全风速范围的正常工况下对两种拓扑的风力发电系统模型进行了仿真分析。详细比较了双PWM型拓扑和不控整流接升压斩波型拓扑在最大功率跟踪阶段、恒转速运行阶段和恒功率运行阶段的输出特性曲线。仿真结果表明，不控整流接升压斩波型拓扑在控制方式上比双PWM型拓扑简单许多，但机侧不可控的事实使其直流侧电压和输出有功功率均存在较大的纹波。不过，由于控制策略类似，两者在发电机转速的波动程度与桨距角控制的响应效果上均没有明显区别。 在电网电压短路故障下，研究了系统卸荷电路的工作情况。通过综合比较在有卸荷电路和无卸荷电路时系统变流器直流电压、输出有功功率和无功功率的响应曲线，验证了卸荷电路对于提升系统低电压穿越能力的重要性。 研究了系统在不同程度电网电压短路故障的低电压穿越特性。仿真结果表明，在风电系统可承受的范围内，电网电压跌落程度越大，持续时间越长，给系统造成的不良冲击越大，系统振荡越强烈，当故障切除时，系统恢复稳定的调整时间也越长。 【关键词】：风力发电 永磁直驱 拓扑 低电压穿越 PSCAD
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 风力发电的背景与意义14
• 1.2 风力发电的国内外发展现状14-17
• 1.2.1 国际发展现状14-16
• 1.2.2 国内发展现状16-17
• 1.3 风力发电的技术发展概述17-21
• 1.3.1 风力发电技术分类17-18
• 1.3.2 风力发电技术发展趋势18-19
• 1.3.3 变速恒频风力发电系统的主要类型19-21
• 1.4 本文的主要研究内容21-22
• 第二章 永磁直驱风力发电系统的数学建模22-33
• 2.1 永磁直驱风电系统的基本拓扑分析22-24
• 2.1.1 双 PWM 型永磁直驱系统拓扑结构22-23
• 2.1.2 不控整流接升压斩波型永磁直驱系统拓扑结构23
• 2.1.3 低电压穿越能力及卸荷电路结构23-24
• 2.2 永磁直驱风电系统的建模24-33
• 2.2.1 风轮的空气动力学模型24-25
• 2.2.2 风轮的传动链模型25
• 2.2.3 永磁同步发电机模型25-28
• 2.2.4 全功率变流器模型28-33
• 第三章 永磁直驱风力发电系统的控制策略33-45
• 3.1 风轮控制策略33-38
• 3.1.1 最大功率跟踪控制33-36
• 3.1.2 桨距角控制36-37
• 3.1.3 全风速范围内的总控制策略37-38
• 3.2 变流器控制策略38-45
• 3.2.1 机侧变流器控制38-41
• 3.2.2 网侧变流器控制41-42
• 3.2.3 卸荷电路控制42-45
• 第四章 基于 PSCAD 仿真平台的永磁直驱风电系统的建模45-65
• 4.1 PSCAD 仿真平台简介45-46
• 4.2 基于 PSCAD 的风速模型46-47
• 4.3 基于 PSCAD 的风轮模型47-49
• 4.4 基于 PSCAD 的传动链模型49-50
• 4.5 基于 PSCAD 的永磁同步发电机模型50-53
• 4.6 基于 PSCAD 的变流器及控制系统模型53-65
• 4.6.1 双 PWM 型系统拓扑的变流器及其控制模型53-57
• 4.6.2 不控整流接升压斩波型系统拓扑的变流器及其控制模型57-59
• 4.6.3 风轮控制系统模型59-65
• 第五章 基于 PSCAD 仿真平台的永磁直驱风电系统的仿真65-95
• 5.1 基本仿真参数设置65-67
• 5.1.1 风轮基本参数65
• 5.1.2 永磁同步发电机基本参数65-66
• 5.1.3 变流器基本参数66
• 5.1.4 电网基本参数66-67
• 5.2 双 PWM 型永磁直驱系统的仿真分析67-77
• 5.2.1 全风速范围内的系统运行仿真分析67-71
• 5.2.2 分阶段的系统运行仿真分析71-77
• 5.3 不控整流接升压斩波型永磁直驱系统的仿真分析77-87
• 5.3.1 全风速范围内的系统运行仿真分析77-81
• 5.3.2 分阶段的系统运行仿真分析81-87
• 5.4 电网电压跌落情况下的系统响应仿真分析87-95
• 5.4.1 卸荷电路对系统低电压穿越能力的影响分析87-91
• 5.4.2 不同程度电压跌落下的系统响应分析91-95
• 第六章 结论与展望95-97
• 6.1 结论95-96
• 6.2 展望96-97
• 参考文献97-101
• 致谢101-102
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文102

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