Boost斩波型直驱式永磁风力发电系统功率变换器运行控制

【摘要】：直驱式永磁风力发电系统因具有能量转换效率高、可靠性高、抗电网干扰能力较强等优点,成为继双馈风力发电系统之后风电技术领域的重要发展方向。本文以一种较为常见Boost斩波型直驱式永磁风力发电系统为研究对象,重点研究了全功率变换器的运行特性,并提出了相应的控制策略。 永磁同步发电机和电机侧Boost斩波型变换器属于强非线性系统,采用普通的PI控制器难以在正常运行范围内保证系统性能,且非线性系统PI控制器参数难于整定。针对其非线性特性,在适当简化的基础上,采用分区间建模的方法,以功率器件开关信号占空比为输入变量,发电机转速为输出变量,建立了发电机与变换器整体二阶仿射非线性模型;引入微分几何理论,利用反馈线性化方法,在单区间内将非线性系统转换为线性系统;根据线性系统设计闭环转速控制器,并利用线性二次型最优控制方法对发电机转速进行控制。经仿真验证,基于该控制器的系统具有良好的稳态和动态性能。 在发电机与变换器二阶模型基础上,将发电机角位置作为状态变量,分区间建立了三阶仿射非线性模型,重新构造输出函数,以发电机角位置作为输出变量,实现了单区间内系统完全输入-输出反馈线性化;根据输出变量与发电机转速的数学关系,设计闭环转速控制器,并利用时间与绝对误差乘积积分指标对控制器参数进行了整定。经仿真和实验验证,基于该控制器的系统能够在较大范围内快速跟踪参考转速的变化,具有较好的稳态和动态性能,对电机侧Boost斩波型变换器控制策略的设计具有一定的参考价值。 根据网侧变换器数学模型,以瞬时功率理论为基础,详细分析了电网电压平衡和不平衡情况下电网瞬时功率表现形式,给出了瞬时功率直流分量和交流分量解析表达式;基于该表达式,利用误差反馈控制原理,针对不同情况,设计了未含不平衡算法的恒频直接功率控制策略和含不平衡算法的恒频直接功率控制策略;基于这两种控制策略的系统具有动态响应快,交流侧滤波器参数易于设计等优点。经仿真和实验验证,电网电压平衡时,基于两种控制策略的系统均能满足电网要求,具有良好的稳态和动态性能;电网电压不平衡时,含不平衡算法的恒频直接功率控制策略可有效地抑制瞬时有功功率波动,减小交流侧电流谐波污染,改善系统性能。