模塊化大容量全功率風力發(fā)電變流器運行與控制技術研究.pdf

1、隨著全球并網風力發(fā)電，尤其是海上風電的蓬勃發(fā)展，一方面風機單機捕捉的風能和捕捉效率必須不斷提高，以達到提升效率和降低風場單位成本的目的;另一方面電網對于大規(guī)模風力發(fā)電并網的要求也越來越嚴苛，這就要求風電機組本身具有很高的運行效率、可靠性和并網性能。為提升風力發(fā)電整體效率和滿足日益提高的并網要求，全功率柔性并網技術成為當今大功率風力發(fā)電技術的主流發(fā)展趨勢。風機單機容量已經接近甚至達到十兆瓦的功率等級，未來還會不斷增加，考慮目前常規(guī)電力電子

2、器件的容量水平，全功率風電變流器匹配風機功率的主要手段是模塊化擴容。本文以基于永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）的模塊化大容量全功率風電變流器作為研究對象，從低壓、中壓兩種并網技術路線出發(fā)，對低壓并聯(lián)模塊化交-直-交變流器的并網電流控制、中壓交-直-交模塊化多電平變流器(Back to BackModular Multilevel Converter，BTB-MMC)

3、的整體控制以及子模塊電壓波動抑制策略、低電壓穿越檢測及控制、多模塊組合工程技術等運行與控制的關鍵技術展開研究。
　　本文首先以隔離型的低壓獨立變流器并聯(lián)模塊化風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，研究了并網變流器的電流控制技術。建立了PMSG仿真模型及并聯(lián)系統(tǒng)中的單模塊數學模型，并對單模塊的協(xié)調控制策略以及并網逆變器控制參數進行了設計。針對傳統(tǒng)電流控制策略下，風機或電網動態(tài)時公共直流側電壓易波動且波動大的問題，提出了一種基于瞬時功率平衡的并網電

4、流補償控制策略，并通過仿真和樣機實驗驗證了提出的補償控制策略的有效性。由于隔離型的并聯(lián)模塊之間相互獨立，設計的模塊控制策略對所有并聯(lián)模塊具有通用性。其次，對BTB-MMC型中壓級聯(lián)模塊化全功率風電變流器的控制技術進行了研究。建立了MMC的數學模型，提出了基于載波移相調制的中壓風電BTB-MMC拓撲總體控制策略，對其中的子模塊穩(wěn)壓控制環(huán)、均壓控制環(huán)以及環(huán)流控制環(huán)進行了建模和參數設計。從橋臂能量波動分析出發(fā)，指出機側MMC子模塊電壓波動大、

5、需要大直流濾波電容的根本原因是風機的低頻大電流工況，提出在負序二倍頻環(huán)流控制器中注入環(huán)流來抑制電壓波動的子模塊電壓波動抑制策略。但在抑制電壓波動的同時，該策略會導致環(huán)流二倍頻分量的增加，因此提出了一組表征電壓抑制效果相對于環(huán)流增加量的折中系數，指出需根據系統(tǒng)要求來選擇不同的折中系數作為評價標準，以達到所需求的總體性能。再次，對全功率風電系統(tǒng)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）實現技術，包括三相電壓故

6、障檢測技術、LVRT協(xié)調控制技術、直流卸荷支路設計進行了研究。在傳統(tǒng)dq鎖相環(huán)基礎上提出了一種改進環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)，可以快速對電壓幅度的不平衡及電壓含諧波故障進行檢測，并快速補償相位跳變，仿真結果證明了提出的鎖相環(huán)的有效性，對于電網電壓相序的識別提出了一種簡易的軟件識別方法，并通過實驗進行了驗證。提出了在低壓全功率風機的兩類傳統(tǒng)LVRT實現策略下，基于我國并網標準的卸荷電阻阻值及容量設計方法。針對中壓BTB-MMC拓撲中，傳統(tǒng)集中式直

7、流卸荷支路在故障穿越過程中的瞬時電壓尖刺問題，提出了一種基于分布式卸荷支路的LVRT方案，消除了電壓尖刺，并且可以幫助風機順利穿越電壓跌落故障。最后，研究了全功率風電變流器中模塊組合的關鍵技術，包括多模塊脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)驅動信號產生及其邏輯完整性、多模塊驅動供電電源的電磁干擾（Electromagnetic Interfere，EMI）抑制技術。分析了數字控制延時和不同步帶來的PWM錯誤邏

8、輯脈沖問題，提出了一種基于現場可編程門陣列(Field Programmable GateArray，FPGA)的改進PWM發(fā)生器，實驗結果表明改進PWM發(fā)生器實現了邏輯同步。針對多模塊驅動供電電源存在EMI干擾的問題，以三相半橋電力電子集成模塊(IntegratedPower Electronics Module，IPEM)為典型研究對象，分析了三種類型的傳導干擾，提出抑制多電源間EMI干擾的措施，并通過仿真與實驗對提出的抑制措施進行