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永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制

作　者: 汪令祥
导　师: 张崇巍
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 风力发电永磁同步风力发电机数学建模矢量控制无速度传感器控制低电压穿越模拟器协同控制
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,风力发电技术取得了显著的进步,并逐渐成为新能源应用技术中的一个重要分支。本文以安徽省“十五”科技攻关项目和国家“十一五”科技支撑项目为依托,对风力发电应用技术中的永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制技术进行研究。在永磁同步风力发电机的数学模型、永磁同步风力发电机模拟器、永磁同步风力发电机的控制策略及其控制性能、永磁同步风力发电机无速度传感器控制、永磁同步风力发电机参数辨识、永磁同步直驱系统实验室模拟、直驱系统用全功率风机变流器的控制时序及全功率风机变流器的网侧、机侧变流器的协调控制等方面进行了深入研究,并获得了一些具有创新意义的科研成果。本文主要研究内容及创新点可概括如下:1、针对直驱系统采用的永磁同步风力发电机的电气结构和论文研究关注的重点,建立了三相和六相永磁同步风力发电机的数学模型,并重点分析了各自的特点。根据理论分析的模型方程,利用Matlab/Simulink建立了永磁同步风力发电机的通用仿真模型,并采用具体电机参数,给出了相关的仿真结果,三种模型的建立为后续针对永磁同步风力发电机控制策略和无速度传感器控制方法的研究建立了理论和仿真平台。2、提出了一种兆瓦级永磁同步风力发电机模拟器:根据兆瓦级永磁同步风力发电机的数学模型,可获取不同转速状态下的发电机定子电压和定子电流方程,通过控制三相电压型PWM变流器来近似模拟发电机的这种定子输出电压和电流特性,可达到验证全功率风机变流器带载特性和带载能力的目的,文中详细给出了发电机模拟器的控制系统设计并仿真验证了所提方案的可行性。3、对永磁同步风力发电机的常规矢量控制策略进行了详细的研究:分析了在实际工程应用的永磁同步直驱系统中,单纯采用常规的永磁同步发电机矢量控制方法的不足,结合实际的兆瓦级永磁同步风力发电机参数,文中提出了一种永磁同步风力发电机的复合矢量控制策略。此策略的提出使得当直驱系统中的永磁同步发电机运行在不同的工况时,对其控制可实现不同矢量控制策略的切换运行,从而提高整个系统的运行稳定性和提高发电机的发电效率。4、对永磁同步风力发电机的无速度传感器控制方法进行了研究:针对直驱系统中永磁同步风力发电机的特定运行工况,提出了一种锁相环加模型参考自适应方法的无速度传感器控制方法,该方法实现简单,辨识准确。文中给出了该控制方法的子系统设计和详细的仿真分析。此方法的提出,实现了直驱系统需无速度传感器控制的关键技术要求。5、对兆瓦级永磁同步风力发电机的参数进行辨识:针对矢量控制和无速度传感器控制方法需要准确已知永磁同步风力发电机参数的要求,文中对典型的最小二乘参数辨识方法进行了理论分析和仿真研究,并指出此方法虽然能准确辨识参数,但计算量稍显复杂,不利于工程实际应用。针对其不足,提出了一种适宜于工程应用中的基于无速度传感器矢量控制方法的直接参数辨识方法,文中并给出了详细的理论分析及仿真结果。6、对永磁同步直驱系统的拖带系统实验室模拟方案进行了探讨:根据不同的设计要求和实验目的,构建了不同功率等级下的三种永磁同步风力发电机的模拟拖带方案并进行了详细的实验研究。以此三种模拟拖带系统为平台,文中分别构建了不同功率等级的全功率风机变流器,并以此为平台,实验验证了文中所提的复合矢量控制策略和无速度传感器的控制方法的可行性和正确性,从而为后续针对实际风场的试运行奠定实验基础。7、对兆瓦级永磁同步直驱系统用全功率风机变流器的协同控制策略及控制时序进行了研究:针对全功率风机变流器的硬件特性和实际风场需实现低电压穿越的控制要求,对全功率风机变流器的网侧、机侧及直流侧撬棒电路的协同控制方案进行了较为系统的理论和实践研究。为实现实际风场的试运行,设计实现了全功率风机变流器的控制时序,并进行了长达半年的实际风场试运行测试。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
致谢  11-20
第一章绪论  20-52
  1.1 风力发电发展现状及趋势  20-21
  1.2 并网型风力发电主要结构类型及对比分析  21-27
    1.2.1 并网型风力发电系统主要结构类型  21-22
    1.2.2 主要风电装机类型特点及对比分析  22-26
    1.2.3 世界及国内主要的风机供应商  26-27
  1.3 直驱系统概述  27-48
    1.3.1 直驱系统的基本理论和主要部件介绍  28-39
    1.3.2 直驱系统用全功率风机变流器  39-48
  1.4 本文研究内容和创新点  48-52
    1.4.1 本文研究内容概述  48-50
    1.4.2 本文创新点  50-52
第二章兆瓦级永磁同步风力发电机建模  52-69
  2.1 三相PMSG 数学模型  52-56
    2.1.1 PMSG 在三相静止坐标系中的数学模型  53-54
    2.1.2 三相PMSG 在dq 坐标系中的数学模型  54-56
  2.2 六相PMSG 数学模型  56-61
    2.2.1 双Y 移相30~0 PMSG 在六相静止坐标中的数学模型  57-59
    2.2.2 双Y 移相30~0 PMSG 在dq 坐标系中的数学模型  59-61
  2.3 三相PMSG 与六相PMSG 参数比较  61-63
  2.4 永磁同步风力发电机的Simulink 仿真模型  63-68
  2.5 本章小结  68-69
第三章兆瓦级永磁同步风力发电机模拟器研究  69-82
  3.1 概述  69
  3.2 兆瓦级永磁同步风力发电机模拟器  69-80
    3.2.1 永磁同步风力发电机模拟器数学模型  70-73
    3.2.2 永磁同步风力发电机模拟器控制系统设计  73-80
  3.3 永磁同步风力发电机模拟器仿真分析  80-81
    3.3.1 模拟兆瓦级电机空载电压特性  80-81
    3.3.2 模拟兆瓦级电机带载电压特性  81
  3.4 本章小结  81-82
第四章兆瓦级永磁同步风力发电机无速度传感器矢量控制  82-122
  4.1 兆瓦级PMSG 无速度传感器矢量控制系统  82-83
  4.2 兆瓦级永磁同步风力发电机矢量控制策略  83-110
    4.2.1 永磁同步风力发电机稳态运行特性分析  84-91
    4.2.2 永磁同步风力发电机常规矢量控制策略  91-104
    4.2.3 兆瓦级永磁同步直驱系统发电机矢量控制运行方式分析  104-105
    4.2.4 兆瓦级PMSG 复合矢量控制系统构建  105-110
  4.3 基于锁相环和模型参考自适应的PMSG 无速度传感器控制方法  110-120
    4.3.1 PMSG 矢量图与参考坐标系  110-111
    4.3.2 us 的矢量角(?)值确定  111-112
    4.3.3 转子位置定向调节器  112
    4.3.4 锁相环建模与控制系统设计  112-114
    4.3.5 基于软件锁相环和模型参考自适应的无速度传感器仿真建模  114-120
  4.4 本章小结  120-122
第五章兆瓦级永磁同步风力发电机的参数辨识  122-135
  5.1 概述  122
  5.2 基于最小二乘法的永磁同步风力发电机参数辨识  122-129
    5.2.1 最小二乘法的原理及其递推算法  122-125
    5.2.2 永磁同步发电机数学模型的标准最小二乘法形式  125-126
    5.2.3 基于最小二乘法永磁同步发电机定子参数的递推辨识算法  126-127
    5.2.4 系统仿真研究及仿真结果分析  127-129
  5.3 基于矢量控制系统的直接参数辨识法  129-134
    5.3.1 直接参数辨识法的理论分析  129-130
    5.3.2 直接参数辨识法的仿真建模  130-134
  5.4 本章小结  134-135
第六章直驱系统用全功率风机变流器工程实践  135-159
  6.1 概述  135-136
  6.2 永磁同步直驱系统的实验室模拟  136-142
    6.2.1 20KW 高速变频异步电机拖动低速PMSG 的实验室模拟  136-138
    6.2.2 1.5MW 高速变频异步电机拖动低速PMSG 的实验室模拟  138-140
    6.2.3 MW 级低速PMSG 对拖实验室模拟系统  140-142
  6.3 全功率风机变流器实际风场试运行  142-158
    6.3.1 全功率风机变流器的协同控制策略  142-151
    6.3.2 全功率风机变流器控制系统及控制时序设计  151-154
    6.3.3 风场实测数据和关键结果  154-158
  6.4 小结  158-159
第七章总结与展望  159-161
  7.1 本文总结  159
  7.2 展望  159-161
附录一：发电机参数  161-162
附录二：电科院电能质量测试报告  162-165
附录三：作者参与研制的2MW全功率风机变流器样机图  165-166
附录四：作者参与研制的2MW全功率风机变流器风场装机  166-167
参考文献  167-179
作者在攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利  179-180
作者攻读博士学位期间主要参加的课题  180

永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制

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