永磁风力发电系统新型拓扑及控制策略的研究.pdf

摘 要 风力发电是目前最经济的新能源获取方式，在全世界范围内得到了广泛的研 究和应用。基于永磁同步发电机(PMSG)的风电系统因其良好的运行性能、高 可靠性、低维护成本、强电网适应性，在风电领域、特别在海上风力发电中具有 非常好的应用前景和潜力。大容量(5～10MW)风电机组是现代风电系统的发展 趋势，而高性能的全功率变流器是构建大容量PMSG风电系统的一个关键。此 外，随着海上风力发电的发展及风电并网标准的提高，对风电系统运行的稳健性 和容错性提出了更高的要求。因此，全功率变流器的构建、高性能控制策略以及 故障运行控制是发展大功率PMSG风电系统的关键技术。本文以此为背景，从 理论分析、仿真建模、实验验证三个方面深入研究了两种新型拓扑结构的PMSG 风电系统及其控制算法。 首先，本文将开绕组结构电机应用到了风力发电领域，构建了一种基于开绕 组永磁同步电机(OW-PMSG)的风电系统。在研究定子绕组星接的永磁同步电 标系上的数学模型，分析了OW-PMSG级联变流器的电压空间矢量，并为 位置传感器矢量控制策略。在此基础上，通过2MW模型Matlab仿真和5．5KW 统进行了对比，验证了OW-PMSG两种控制算法的正确性和有效性。 其次，深入研究了OW-PMSG风电系统电机侧交流器发生单相故障时的容 错运行策略。通过数学分析，得到了OW-PMSG级联变流器故障重构后的电压 空间矢量，提出了两种基于不同SVPWM方式的无位置／速度传感器矢量控制算 法。在此基础上，通过2MW模型Matlab仿真及5．5KW样机实验，深入研究了 OW-PMSG级联变流器单相故障容错运行特性，验证了所提容错运行控制算法的 正确性及有效性。 此外，构建了一种由‘半控变流器’(HCC)馈电的双三相永磁同步电机 协调控制和转子位置／速度估算的矢量控制策略。通过2MW模型Matlab仿真及 111 摘要 提控制策略的正确性和有效性，并与全控变流器(FCC)馈电的DW-PMSG风电 系统矢量控制运行性能进行了对比研究。另外，还将HCC馈电系统及其控制算 法用作FCC馈电DW-PMSG风电系统的变流器容错策略，并通过仿真和实验验 证了容错策略的可行性和有效性。 关键字： 风力发电，开绕组永磁同步发电机(OW-PMSG)，双三相永磁同步发 电机(DW-PMSG)，半控变流器(HCC)，矢量控制，无位置／速度传感器控制， 容错运行 IV Abstract Wind isthemost powergeneration economicaltherenewable among energy, whichhas beenused intheworld．Wind widely conversion energy system(WECS) based onPermanent and magnetsynchrounous generator(PMSG)hasgoodprospects for wind in offshorefieldbecauseofits potential powerapplicationparticularly good maintenance operation