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基于虚拟同步发电机的永磁直驱风电系统研究

张建所  
【摘要】:风能作为清洁能源的代表,近年来发展迅速。而风电作为风能主要利用形式,其在电力系统中所占的比例逐年上升。风电机组主要通过电力电子装置并入电网,其并网特性与常规发电机组有较大差异,风电不具备传统电力系统的惯性支撑能力,造成风电系统惯量响应、频率调节能力不足。为解决这一问题,本文以永磁直驱风力发电系统为研究对象,结合虚拟同步发电机与基于频率变化的附加控制这两种控制策略,提出基于虚拟同步发电机的永磁直驱风电系统和基于选择函数的虚拟惯量控制方法。主要内容如下:(1)根据永磁同步发电机的特点,建立直驱式永磁风力发电系统的数学模型,然后提出风力发电系统并网控制方法:应用转子磁链定向控制机侧变流器,实现最大功率点跟踪,应用电压矢量定向控制网侧变流器,实现直流母线电压稳定。最后在变化风速下进行仿真分析,其结果验证了控制策略的有效性。(2)依据同步发电机的工作原理建立并网逆变器的VSG数学模型。然后模拟同步发电机的调速系统设计虚拟调速器,实现有功功率对系统频率的调整;模拟同步发电机的励磁系统设计虚拟励磁调节器,实现无功功率对系统电压的调节。最后将虚拟同步发电机技术与同步电机的惯量响应特性结合,将其应用与PMSG机组变流器中,在机侧变流器采用转子磁链定向控制,在网侧采用虚拟同步控制。仿真结果表明此控制策略能够为系统提供有效惯性支撑,提高系统的稳定性。(3)在传统电力系统调频方法的基础上,结合风力发电机组的调频和参数整定过程,建立包含火电机组与风电机组的发电系统模型,并分析频率偏差与频率微分对系统频率稳定性的影响,然后基于转子动能的虚拟惯量控制,提出基于选择函数的直驱永磁风电系统虚拟同步控制策略。对比仿真结果显示,该方法能够有效降低频率变化速度,提高频率最低点,同时避免功率的二次跌落,改善系统频率的稳定性。


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