半直驱永磁同步风电机组建模与控制策略研究
发布时间：2021-04-07 00:19
在能源短缺和环境污染日益严重的趋势下,风力发电技术研究日益受到风资源大国的重视。变速恒频机组是当前实际应用最广泛的风力发电系统,半直驱永磁同步机组综合了双馈异步机组与直驱永磁机组的优势,在发电机组大型化的趋势下将会越来越受到重视。本文以半直驱永磁同步风力发电机系统为研究目标,对机侧和网侧变流的控制策略进行了重点研究。为解决传统控制策略中复杂的解耦、PI整定以及多目标优化困难以等问题,有限集模型预测控制（FCS-MPC）成为近年来的研究热点。该方法利用PWM变流器离散特性和开关状态有限特性通过编写控制程序即能实现对变流器的有效控制,有良好的灵活性和稳定性,提高风力发电并网质量。本文首先介绍了半直驱永磁同步风力发电机组的拓扑结构,建立了风速模型、风力机模型以及永磁同步电机、变流器在三相静止坐标系abc、两相静止坐标系??和两相同步旋转坐标系dq下的基本数学模型,为控制策略的分析提供了理论基础。通过对模型预测控制的理论的分析,提出模型预测转矩控制和模型预测电流控制策略分别对机侧变流器和网侧变流器进行控制。该方法以价值函数为优化目标,遍历计算所有开关状态下的系统输出,选择最优开关状态作为控制信...
【文章来源】：东北石油大学黑龙江省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
000-2018年全球风电累计装机容量
提高风能利用效率，提高机组出力；由风速变化引起的风力机输出波动转化为转动能，减小机械应力，平滑发电机的输出功率。直驱永磁同步和双馈异步均为变速风力发电机组，在机组运行时，发电机定子侧流电频率是可以跟随转子转速变化。直驱机组风力机与发电机转子直接耦合，不经轮箱传动，转速比较低，因此只能采用永磁同步电机方案。这种方案，无齿轮箱，率低；但是其低转速的特性决定了发电机体积剧大，运输与安装困难，受铁磁材料响，造价高昂；而且发电机的全部功率都要经变流器整流逆变后馈入电网，变流器率运行，容量大，成本高[24]。与直驱永磁同步发电机组相比，双馈异步发电机组定子侧直接连接到电网，而绕子侧则通过双 PWM 变流器连接到电网[25]。双馈感应发电机一般采用传动比较高的箱将风力机传入的转速增加若干倍，传递机械功率给发电机转子时转速明显提高，可采用高速发电机，体积小，质量轻，便于运输与安装。双馈异步机组变流器的容与发电机的转差功率相关，其效率较高且价格低廉。但其缺点也很明显，主要是升轮箱结构复杂，噪声大，易疲劳损坏，维修保障频繁降低了机组的可靠性，特别是风电保障不易对可靠性要求较高的环境。
图 1.3 直驱永磁同步机组齿轮箱在高速运转时是比较容易受到损坏的部件，据统计在双馈异步风力发电30%以上的故障由齿轮箱引发。与其相比直驱永磁同步机组风力机与永磁同步耦合，无需齿轮箱传动，增加变比，故障率显著降低。但由于直驱机组转速较极数较多，风机容量的大型化会导致电机设计变得困难，体积与重量巨大。为一问题，半直驱永磁同步发电机组应运而生，其综合二者优点，采用一级行星接风力机与永磁同步电机。增加电机转速，降低永磁电机极数，较小体积重量机组大型化的趋势来看，未来半直驱永磁同步电机将会逐步得到广泛应用[26]。作为一种比较有前景的机组大型化解决方案，半直驱机组受到越来越多的关注[27]针对半直驱机型特点设计了 1.5MW 永磁同步发电机，提高了发电机负载功降低了永磁材料的消耗量。文献[28]仿真和实验结果表明并行计算的两个电流控制器成功实现了拓扑结构动态切换的平滑过渡,消除了电流过冲。说明变拓扑装置采用合理的控制策略,完全能够克服动态拓扑变化带来的不利影响,在拓扑程中仍保持平滑的功率输出。文献[29]对半直驱机组的控制策略进行了研究，种模块化的串并联多脉晶闸管整流器，结合半直驱机组硬件特点研究了一种低
本文编号：3122429
【文章来源】：东北石油大学黑龙江省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
000-2018年全球风电累计装机容量
提高风能利用效率，提高机组出力；由风速变化引起的风力机输出波动转化为转动能，减小机械应力，平滑发电机的输出功率。直驱永磁同步和双馈异步均为变速风力发电机组，在机组运行时，发电机定子侧流电频率是可以跟随转子转速变化。直驱机组风力机与发电机转子直接耦合，不经轮箱传动，转速比较低，因此只能采用永磁同步电机方案。这种方案，无齿轮箱，率低；但是其低转速的特性决定了发电机体积剧大，运输与安装困难，受铁磁材料响，造价高昂；而且发电机的全部功率都要经变流器整流逆变后馈入电网，变流器率运行，容量大，成本高[24]。与直驱永磁同步发电机组相比，双馈异步发电机组定子侧直接连接到电网，而绕子侧则通过双 PWM 变流器连接到电网[25]。双馈感应发电机一般采用传动比较高的箱将风力机传入的转速增加若干倍，传递机械功率给发电机转子时转速明显提高，可采用高速发电机，体积小，质量轻，便于运输与安装。双馈异步机组变流器的容与发电机的转差功率相关，其效率较高且价格低廉。但其缺点也很明显，主要是升轮箱结构复杂，噪声大，易疲劳损坏，维修保障频繁降低了机组的可靠性，特别是风电保障不易对可靠性要求较高的环境。
图 1.3 直驱永磁同步机组齿轮箱在高速运转时是比较容易受到损坏的部件，据统计在双馈异步风力发电30%以上的故障由齿轮箱引发。与其相比直驱永磁同步机组风力机与永磁同步耦合，无需齿轮箱传动，增加变比，故障率显著降低。但由于直驱机组转速较极数较多，风机容量的大型化会导致电机设计变得困难，体积与重量巨大。为一问题，半直驱永磁同步发电机组应运而生，其综合二者优点，采用一级行星接风力机与永磁同步电机。增加电机转速，降低永磁电机极数，较小体积重量机组大型化的趋势来看，未来半直驱永磁同步电机将会逐步得到广泛应用[26]。作为一种比较有前景的机组大型化解决方案，半直驱机组受到越来越多的关注[27]针对半直驱机型特点设计了 1.5MW 永磁同步发电机，提高了发电机负载功降低了永磁材料的消耗量。文献[28]仿真和实验结果表明并行计算的两个电流控制器成功实现了拓扑结构动态切换的平滑过渡,消除了电流过冲。说明变拓扑装置采用合理的控制策略,完全能够克服动态拓扑变化带来的不利影响,在拓扑程中仍保持平滑的功率输出。文献[29]对半直驱机组的控制策略进行了研究，种模块化的串并联多脉晶闸管整流器，结合半直驱机组硬件特点研究了一种低
本文编号：3122429
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