永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制

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。