直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)全功率并網(wǎng)變流技術(shù)的研究.pdf

1、直驅(qū)型風電機組因其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點，成為了繼雙饋型風電機組之后風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。然而，對于目前主流的兆瓦級直驅(qū)型風電機組而言，我國在變流機組及其核心控制技術(shù)方面仍依賴進口，極大制約了風電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。因此，本文圍繞直驅(qū)型風電機組全功率并網(wǎng)變流技術(shù)展開理論研究，對網(wǎng)側(cè)變流器和電機側(cè)變流器的設(shè)計方法與控制策略進行分析探討，并通過仿真和實驗驗證了理論研究成果的正確性。 首先，研究了

2、網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學模型與控制策略。建立了三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型和等效電路；對比分析了電壓定向控制、直接功率控制、虛擬磁鏈定向控制和虛擬磁鏈一直接功率控制等四種控制策略的工作原理和優(yōu)缺點。 其次，研究了網(wǎng)側(cè)諧波分析與抑制問題。在諧波分析方面，提出了一種通用型諧波分析算法，并基于此對四種常用PWM發(fā)生方式下的電壓諧波分布及其隨調(diào)制參數(shù)的變化規(guī)律進行了對比分析；在諧波抑制方面，提出了一種新穎的網(wǎng)側(cè)LCI_，濾波器設(shè)計算法，闡述

3、了各濾波元件的計算步驟以及配合取值原則。 第三，研究了網(wǎng)側(cè)變流器的有中線運行控制問題。建立了有中線拓撲數(shù)學模型和等效電路；研究了零序電流控制和直流電壓平衡控制策略；提出并證明了有中線系統(tǒng)即三維矢量空間中SPWM和SVPWM算法的本質(zhì)一致性，并基于此對有中線變流器的網(wǎng)側(cè)諧波抑制能力和直流電壓利用率問題進行了綜合分析。 第四，研究了網(wǎng)側(cè)變流器的并聯(lián)運行控制問題。對比分析了直接并聯(lián)和交錯并聯(lián)的工作原理和諧波抑制效果；闡述了交錯

4、并聯(lián)情況下高頻環(huán)流和低頻振蕩環(huán)流的產(chǎn)生機理：并對基于二維SVPWM、三維SPWM以及改進型SVPWM的交錯并聯(lián)控制策略進行了對比分析。 第五，研究了基于被動整流拓撲的電機側(cè)變流器控制問題。研究了升壓斬波器基于電壓前饋的電流跟蹤控制策略；給出了基于最大功率跟蹤原理的斬波器輸入電流指令解析表達式；提出了N重交錯并聯(lián)升壓斬波器總電流紋波統(tǒng)一算法，并基于此推導(dǎo)得出了N重交錯并聯(lián)時輸入濾波電感的統(tǒng)一計算公式。 第六，研究了基于主動

5、整流拓撲的電機側(cè)變流器控制問題。建立了永磁同步電機的數(shù)學模型和等效電路，對比分析了零d軸電流、恒定氣隙磁鏈和最大效率三種控制目標下，永磁同步電機矢量控制策略的工作原理及優(yōu)缺點。 作為對理論分析結(jié)果的仿真驗證，本文搭建了基于被動整流拓撲的1.5MW直驅(qū)型風電機組仿真模型，對包括最大功率跟蹤控制、交錯并聯(lián)升壓斬波器的紋波分析算法以及恒速運行控制在內(nèi)的系統(tǒng)整體設(shè)計和控制方案進行了驗證；搭建了基于主動整流拓撲的1.5MW直驅(qū)型風電機組仿

6、真模型，對機組變速運行和恒速運行階段，全功率變流器控制策略的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進行了驗證。作為對理論分析結(jié)果的實驗驗證，本文通過15kW網(wǎng)側(cè)變流器實驗樣機，驗證了所提出的通用型諧波分析算法和網(wǎng)側(cè)LCL濾波器設(shè)計算法的正確性；通過兆瓦級能量互饋型風力發(fā)電變流器實驗平臺，考核了網(wǎng)側(cè)變流器和電機側(cè)變流器控制策略的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，并對包括網(wǎng)側(cè)變流器零序電流控制、交錯并聯(lián)網(wǎng)側(cè)諧波抑制、并聯(lián)環(huán)流控制策略、斬波器紋波分析算法和基于電壓前饋的電流跟蹤控制策