采用超级电容的直驱风电机组故障穿越和功率平滑控制

【摘要】：风能是绿色能源,具有分布广、可再生、无污染的特点。在风力发电领域中,直驱永磁同步风力发电机组(D-PMSG WTGS)由于其运行可靠性和控制灵活性,得到了越来越多的关注,市场份额逐渐增加。本文针对采用超级电容器储能的D-PMSG WTGS,对其故障穿越和功率平滑控制展开研究,以期进一步提高其运行性能。首先,明确了研究的目的和意义,分析了世界能源消费结构,分别阐述了现阶段风力发电和超级电容器的发展现状,综述了D-PMSG WTGS的故障穿越和功率平滑控制的研究现状。其次,给出了采用超级电容器的D-PMSG WTGS的拓扑结构,根据其结构和工作原理,推导了网侧变换器和双向Buck-Boost变换器的数学模型,包括了网侧变换器和双向Buck-Boost变换器的开关函数模型以及双向Buck-Boost变换器的状态方程模型和传递函数模型。第三,针对电网故障和电网正常两种状况,提出D-PMSG WTGS中网侧变换器和用于超级电容器存储和释放电能的双向Buck-Boost变换器的协调控制策略。采用二阶广义积分器锁相环(SOGI-PLL)检测电网电压,电网正常时,网侧变换器采用基于电压前馈的直流电压外环、电流内环的电网电压定向控制,双向Buck-Boost变换器采用电流单闭环释能控制;电网故障时,网侧变换器采用结合负序电压前馈的功率外环、电流内环控制,双向Buck-Boost变换器采用直流电压外环、电流内环双闭环控制。在Matlab/Simulink环境中进行了仿真研究,仿真结果表明,所论协调控制策略可以提高D-PMSG WTGS的故障穿越能力。第四,对D-PMSG WTGS的功率平滑控制进行研究。设计了“风速功率模型”,用来模拟风力发电机的出力随风速发生波动的状态;为实现并网功率相对平滑,网侧变换器采用电网电压定向控制,双向Buck-Boost变换器采用电流单闭环控制。其中,有功功率给定值由机侧输出功率及其平均值确定,并对比分析了数值平均法和低通滤波法获得的功率平均值的效果。仿真结果表明,采用超级电容器可以补偿D-PMSG WTGS的有功功率波动,使并网有功功率相对平滑、稳定。最后,对全文进行了总结,并就进一步研究方向进行了展望。 【关键词】：直驱风力发电系统 协调控制 超级电容 故障穿越 功率平滑
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315;TM53
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 引言8-16
• 1.1 课题背景及意义8-9
• 1.2 全球风力发电发展现状及趋势9-11
• 1.3 超级电容器发展现状11-12
• 1.4 直驱风电机组故障穿越和功率平滑控制研究现状12-15
• 1.4.1 故障穿越研究现状12-14
• 1.4.2 功率平滑研究现状14-15
• 1.5 课题研究内容15-16
• 第二章采用超级电容器储能的直驱风电机组工作原理及建模16-29
• 2.1 网侧变换器数学模型16-18
• 2.2 双向BUCK-BOOST变换器数学模型18-26
• 2.2.1 双向Buck-Boost变换器结构和原理18-20
• 2.2.2 双向Buck-Boost变换器数学模型20-26
• 2.3 超级电容器等效模型26-29
• 2.3.1 超级电容等效模型26-27
• 2.3.2 超级电容容量设计27-29
• 第三章直驱风电机组故障穿越协调控制策略研究29-42
• 3.1 网侧变换器控制策略29-34
• 3.1.1 电压定向矢量控制29-30
• 3.1.2 基于SOGI-PLL的控制策略研究30-34
• 3.2 双向BUCK-BOOST变换器控制策略研究34-35
• 3.2.1 储能控制34
• 3.2.2 释能控制34-35
• 3.3 故障穿越协调控制策略35-36
• 3.4 故障穿越仿真分析36-42
• 3.4.1 仿真参数及仿真模型36-37
• 3.4.2 仿真结果与分析37-42
• 第四章直驱风电机组功率平滑控制策略研究42-50
• 4.1 机侧等效输入功率建模42-43
• 4.2 功率平滑控制策略研究43-46
• 4.2.1 功率平滑控制43-44
• 4.2.2 有功功率给定值确定44-46
• 4.3 系统功率平滑仿真分析46-50
• 4.3.1 仿真参数及仿真模型46-47
• 4.3.2 仿真结果与分析47-50
• 第五章 总结和展望50-52
• 参考文献52-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士期间研究成果56-57
• 作者简介57

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