面向无源性增强的直驱风电并网变流器的控制策略研究

【摘要】：风能作为发展速度最快、技术最为成熟、开发规模最大的可再生能源,在新型能源的开发和利用中扮演着越来越重要的角色。在各种风力发电系统中,永磁直驱式风力发电系统因其运行效率高等独特优势,成为当今风电行业的发展主流。直驱风力发电通过变流器并网,但变流器控制环节、与电网的交互作用等都可能会导致整个系统失稳。其中,变流器输出阻抗与电网阻抗不匹配导致系统处于不稳定状态的问题变得越来越突出,并网变流器的稳定性研究成为风力发电领域的一个热点。本文将直驱风力发电并网系统作为研究对象,以增强并网系统阻抗无源性为目标,主要完成以下工作:首先介绍了直驱风力发电系统的结构与和发电原理,给出了直驱式永磁同步电机(Direct-drive permanent magnet synchronous wind power generation system,PMSG)的数学模型、全功率风电变流器数学模型及其机侧和网侧控制结构,为后文进行控制系统参数设计、稳定性分析奠定基础。接着采用小信号建模方法建立了电流、直流电压双闭环控制模式下的风电并网变流器的阻抗模型,为后文进行阻抗稳定性分析和无源性优化奠定了模型基础。然后采用传统的控制器参数设计方法分别设计了机侧、网侧变流器的调节器参数,搭建仿真模型验证了参数设计的正确性。接着利用阻抗稳定性判据和无源性理论对直驱风力发电并网系统进行了阻抗稳定性分析,指出传统控制器参数设计方法没有考虑变流器与电网之间的阻抗交互特性,导致在理想电网条件下能够安全稳定运行的变流器,运行在高等值电抗的弱电网环境中或多台电力电子装置并联时相互耦合引发谐波共振问题,损害系统的稳定性和鲁棒性。最后,利用阻抗模型和无源性理论分别分析了各控制参数:电流内环比例系数(k_(pa) _c)、电流内环积分系数(k_(ia) _c)、直流电压外环比例系数(k_(pdc))、直流电压外环积分系数(k_(id) _c)对并网变流系统稳定性的影响,指出k_(pac)减小会降低系统在50Hz以下及1666Hz以上的频率范围内发生不稳定现象的风险;而k_(ia) _c、k_(pd) _c、k_(idc)对变流器与电网的交互稳定性影响较小,弥补了传统控制器参数设计的不足,为并网变流器控制参数整定提供了参考。为了增强系统无源性,采用PCC点电压前馈补偿策略,分析了前馈补偿对变流器阻抗模型的影响。