基于TSMC的直驱风电系统低电压穿越技术的研究

论文摘要

在风力发电系统中,采用无齿轮箱直接驱动永磁同步发电机的方式能有效地提高系统的效率以及运行的可靠性,其运行维护成本随之降低,直驱系统在风电市场中份额迅速扩大。永磁直驱风电系统通常采用传统的背靠背电压型变换器来连接发电机及电网,在这种变换器中,直流侧电容使得背靠背的两个桥式变换器的控制独立进行,但是也增加了变换器的体积。同时,直流侧电压的骤变也会大大减少电容的使用寿命。双级矩阵变换器（Two-Stage Matrix Converter ,简称TSMC）是近几年出现的新一代矩阵变换器,其拓扑为三相交-直-交两级变换结构,直流环节无需滤波电容,其输出频率不受限制,能获得正弦的输入、输出,且输入功率因数可控,同时避免了传统矩阵变换器复杂的四步换流,简化了调制策略,因此非常适合作为直驱风电系统的全功率变换器。当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时,在一定电压跌落的范围内,风电机组能够不间断并网运行,这一过程称为风电机组低电压穿越。本文对基于TSMC的直驱风电系统低电压穿越技术进行研究。首先分析了双级矩阵变换器的工作原理,建立了TSMC并网逆变级的三相静止坐标系和两相静止及旋转同步坐标系的数学模型,指出以TSMC并网逆变级作为系统的闭环控制对象。在分析系统低电压穿越特性基础上,提出适用于基于TSMC的直驱风电系统低电压穿越的控制策略,同时参考德国E.ON公司电网标准和国家电网公司风电并网标准对电网进行无功功率支持。通过仿真分析表明,基于TSMC的直驱风力发电系统具有较好的动稳态性能,系统能安全地在电网电压跌落期间运行,同时实现了系统无功电流的优先选择控制,对电网进行无功功率支持,进一步验证了TSMC与直驱永磁同步发电机相结合的系统具有较强的发展优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 风力发电系统简介
• 1.2 双级矩阵变换器研究现状
• 1.3 低电压穿越技术研究背景及现状
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 双级矩阵变换器的原理
• 2.1 双级矩阵变换器的拓扑结构
• 2.1.1 CMC 和TSMC 功能对比
• 2.1.2 典型的TSMC 拓扑结构
• 2.2 TSMC 整流级无零矢量的双空间矢量调制
• 2.2.1 整流级无零矢量的空间矢量调制
• 2.2.2 逆变级的空间矢量调制及两级开关的协调控制
• 2.3 基于双空间矢量调制的TSMC 的低频开关函数
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于TSMC 的直驱风力发电系统建模与控制
• 3.1 基于TSMC 的直驱风力发电系统的工作原理
• 3.2 TSMC 并网逆变级数学模型
• 3.2.1 基于三相静止坐标系的逆变级数学模型
• 3.2.2 基于αβ坐标系和dq 坐标系下的并网逆变级数学模型
• 3.3 基于TSMC 的直驱风电系统逆变级集成控制策略
• 3.3.1 系统控制对象
• 3.3.2 逆变级集成控制策略
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于TSMC 的直驱风力发电系统低电压穿越技术研究
• 4.1 电网电压跌落描述及LVRT 技术研究的必要性
• 4.2 基于TSMC 的直驱风力发电系统低电压穿越性能分析
• 4.2.1 电压跌落时系统功率流动关系
• 4.2.2 电压跌落时发电机转速分析
• 4.3 电网电压跌落时并网逆变级控制策略
• 4.3.1 电网电压跌落的幅值检测
• 4.3.2 无功电流的控制
• 4.3.3 系统并网逆变级集成控制策略
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统仿真研究
• 5.1 风速变化时的仿真结果
• 5.2 电网电压跌落系统的响应特性
• 5.3 系统无功功率支持仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 基于TSMC 的直驱风电系统仿真模型
• 附录B 无功电流优先选择以及开关切换
• 个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果