直驱永磁同步风电机组并网变换器关键技术研究
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摘要
风力发电已经成为解决世界能源短缺的重要途径，越来越受到世界各国的重视。在当今两种主流的风力发电机型中，直驱永磁同步风力发电机组具有结构较简单，发电效率较高，以及运行可靠性好等优点，已成为现代大型变速恒频风电机组主要的发展方向之一。本论文主要针对直驱永磁同步风电机组并网变换器的若干关键技术进行了深入地研究。论文所取得的主要成果如下：
①从系统的角度对直驱永磁同步风电机组进行了数学建模。比较了几种最大风能跟踪控制的典型算法，结合永磁同步风电机组的功率—转速特性，基于功率信号反馈控制，给出了一种适用于该型机组的最大风能跟踪控制算法。建立了一台2MW直驱永磁同步风电机组的系统仿真模型，仿真验证了所建系统仿真模型的合理性和最大风能跟踪控制算法的正确性。
②详细分析了采用传统控制策略时全功率并网变换器直流侧电压波动机理，提出了电网侧变换器和电机侧变换器的协调控制策略实现电网电压正常情况下直流侧电压的稳定。该控制策略将永磁同步发电机输出有功功率信息纳入电网侧变换器的控制当中，在发电机运行状态发生改变的时候及时调整网侧有功电流分量，从而保证输入至电网的有功功率能够及时跟踪永磁同步发电机输出有功功率的变化。通过仿真及实验，证明了所提控制策略的正确性和有效性。
③为优化额定风速以上直驱永磁同步风电机组的功率输出，提出利用机组巨大的转动惯量，同时协调永磁同步发电机的功率控制和变桨距控制，平抑直驱风电机组的功率输出波动。结合低于额定风速时基于转速反馈的最大风能跟踪控制，进一步提出了全风况下直驱永磁同步风电机组的双模功率控制策略。仿真对比结果表明，采用提出的双模功率控制策略，直驱永磁同步风电机组的有功功率输出更为平稳。
④分析了电机参数误差对矢量控制系统的影响。为有利工程实际应用，提出一种简单有效的永磁同步电机参数在线辨识算法。该算法利用因参数误差导致的补偿电压项—电流环PI调节器的输出，迅速、准确地确定出待辨识参数值。仿真和实验研究结果表明，控制系统稳定后，电流环PI调节器输出为零，大大减轻了电流环PI调节器的负担，有利于提高兆瓦级永磁同步发电机的控制性能。
⑤建立了不平衡电网电压条件下的电网侧变换器模型，分析了并网电抗器上功率波动对电网侧变换器不对称控制策略的影响。提出了一种增强的直流侧电压控制策略，抑制小值电网电压不平衡时直流侧电压的2倍频波动。网侧电流指令的求解避免了复杂的矩阵变换，计算相对简单。仿真结果表明：相对于采用传统平衡控制策略的方案而言，增强的直流侧电压控制策略能够有效的抑制直流侧电压的2倍频波动，网侧有功功率波动幅度也相对减小；同时降低了注入至电网的电流总谐波含量。
⑥以电网不对称故障为研究重点，计及并网电抗器上的功率波动，并考虑电网电流的限制，按照网侧有功功率无2倍频波动为控制目标，提出了采用直流侧电压弱控制的电网侧变换器的改进控制策略。在此基础上，进一步提出了适用于直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行控制策略。该故障穿越控制策略无需借助额外的硬件保护电路，根据电网故障导致的电网电压跌落深度，同步降低永磁同步发电机输出的有功功率，实现并网变换器两侧功率的基本平衡。所提故障穿越运行控制策略，能够适应不同的电网故障类型，并且在故障中均能对电网提供一定的无功支持。仿真结果表明，该控制策略显著增强了直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行能力。
Wind power has become an important way to solve the world's energy shortage.Many countries pay more and more attentions to wind power generation. In the twomainstream wind turbine generation systems，the direct-driven permanent magnetsynchronous generator(PMSG) system has features of simpler structure, highergeneration efficiency and good operation reliability. The direct-driven PMSG systemhas become one primary technology direction of modern large variable-speedconstant-frequency(VSCF) wind turbine generation systems. Therefore, several keytechnologies of grid-connected converter for direct-driven PMSG system were deeplystudied in this dissertation. The main achievements of the research include：
①From the point of view of system, mathematical model of the direct-drivenPMSG system is established. Several typical algorithms of maximum power pointtracking(MPPT) are compared. Considering the power-speed characteristics, a MPPTcontrol strategy based on the power signal feedback control is proposed in thisdissertation. The simulation model of a2MW direct-driven PMSG system is established.The rationality of the model and the validity of the proposed MPPT control strategy areverified through simulation studies.
②Based on detailed analysis of the fluctuation mechanism for the dc-link voltageof full rated grid-connected converter, the coordinated control strategy of grid sideconverter and generator side converter is proposed to stabilize the dc-link voltage undernormal grid voltage conditions. The generator's output active power information isintegrated into the control of grid side converter. According to the change of operationstate of generator, the active component of grid current is adjusted immediately, andtherefore, the active power delivered to the grid can timely track the generator's outputactive power. Simulation and experimental results confirm the validity and effectivenessof the proposed control strategy.
③In order to optimize the direct-driven PMSG system's output power above therated wind speed, large inertia of this wind generator system, combined with generatorpower control and pitch control, are used to suppress the power fluctuation. When windspeed is under the rating value, rotating speed feedback control was adopted to achievethe maximum power point tracking. A dual-mode power control strategy is proposed forall the wind conditions based on the control modes mentioned above. Simulation results demonstrate that the output active power of the direct-driven PMSG system adopted theproposed dual-mode power control strategy is steadier compared to traditional controlscheme.
④The influence of parameter errors on vector control system is analyzed. Asimple and effective online parameter identification algorithm is proposed to suitablefor engineering application. The algorithm based on compensating voltages-the currentPI regulator outputs, estimates the parameters to be identified quickly and accurately.Simulation and experimental results demonstrate that the current PI regulator outputsbecome to zero after the system is stable. Burden of current PI regulators are greatlyreduced that it can improve the control performance of the PMSG system.
⑤A mathematical model of the grid side converter is established underunbalanced grid voltage conditions. Based on the model, the influence ofgrid-connected impedance on control strategy of grid side converter is analyzed. Anenhanced dc-link voltage control strategy is proposed to suppress the double supplyfrequency fluctuations in dc-link voltage. The calculation of current references for gridconverter is relatively simple and a solution to complicated matrix is avoided.Simulation results demonstrate that the double supply frequency fluctuations in thedc-link voltage can be effectively suppressed. The fluctuation amplitude of active powerand the current harmonics injected into the grid are also reduced by adopted theproposed strategy.
⑥Taking unbalanced grid faults as research focus, an improved control strategyfor grid side converter with dc-link voltage soft control is proposed. The improvedcontrol strategy considering grid-connected impedance and grid current restrictions,takes no double supply frequency fluctuations in the active power delivered to the gridas the object. Based on this, a fault ride through control strategy is proposed for thedirect-driven PMSG system. In the grid fault process, the generator's output activepower is reduced in proportion to retained grid voltage ensuring the roughly balance onboth ends of grid-connected converter. The proposed fault ride through control strategyis applicable to different grid fault types. A certain amount of reactive power can beinjected into the grid to support the power system. Simulation results are used tovalidate the proposed control strategy and demonstrate that fault ride through operationcapability of the direct-driven PMSG system is significantly enhanced.
①从系统的角度对直驱永磁同步风电机组进行了数学建模。比较了几种最大风能跟踪控制的典型算法，结合永磁同步风电机组的功率—转速特性，基于功率信号反馈控制，给出了一种适用于该型机组的最大风能跟踪控制算法。建立了一台2MW直驱永磁同步风电机组的系统仿真模型，仿真验证了所建系统仿真模型的合理性和最大风能跟踪控制算法的正确性。
②详细分析了采用传统控制策略时全功率并网变换器直流侧电压波动机理，提出了电网侧变换器和电机侧变换器的协调控制策略实现电网电压正常情况下直流侧电压的稳定。该控制策略将永磁同步发电机输出有功功率信息纳入电网侧变换器的控制当中，在发电机运行状态发生改变的时候及时调整网侧有功电流分量，从而保证输入至电网的有功功率能够及时跟踪永磁同步发电机输出有功功率的变化。通过仿真及实验，证明了所提控制策略的正确性和有效性。
③为优化额定风速以上直驱永磁同步风电机组的功率输出，提出利用机组巨大的转动惯量，同时协调永磁同步发电机的功率控制和变桨距控制，平抑直驱风电机组的功率输出波动。结合低于额定风速时基于转速反馈的最大风能跟踪控制，进一步提出了全风况下直驱永磁同步风电机组的双模功率控制策略。仿真对比结果表明，采用提出的双模功率控制策略，直驱永磁同步风电机组的有功功率输出更为平稳。
④分析了电机参数误差对矢量控制系统的影响。为有利工程实际应用，提出一种简单有效的永磁同步电机参数在线辨识算法。该算法利用因参数误差导致的补偿电压项—电流环PI调节器的输出，迅速、准确地确定出待辨识参数值。仿真和实验研究结果表明，控制系统稳定后，电流环PI调节器输出为零，大大减轻了电流环PI调节器的负担，有利于提高兆瓦级永磁同步发电机的控制性能。
⑤建立了不平衡电网电压条件下的电网侧变换器模型，分析了并网电抗器上功率波动对电网侧变换器不对称控制策略的影响。提出了一种增强的直流侧电压控制策略，抑制小值电网电压不平衡时直流侧电压的2倍频波动。网侧电流指令的求解避免了复杂的矩阵变换，计算相对简单。仿真结果表明：相对于采用传统平衡控制策略的方案而言，增强的直流侧电压控制策略能够有效的抑制直流侧电压的2倍频波动，网侧有功功率波动幅度也相对减小；同时降低了注入至电网的电流总谐波含量。
⑥以电网不对称故障为研究重点，计及并网电抗器上的功率波动，并考虑电网电流的限制，按照网侧有功功率无2倍频波动为控制目标，提出了采用直流侧电压弱控制的电网侧变换器的改进控制策略。在此基础上，进一步提出了适用于直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行控制策略。该故障穿越控制策略无需借助额外的硬件保护电路，根据电网故障导致的电网电压跌落深度，同步降低永磁同步发电机输出的有功功率，实现并网变换器两侧功率的基本平衡。所提故障穿越运行控制策略，能够适应不同的电网故障类型，并且在故障中均能对电网提供一定的无功支持。仿真结果表明，该控制策略显著增强了直驱永磁同步风电机组的故障穿越运行能力。
Wind power has become an important way to solve the world's energy shortage.Many countries pay more and more attentions to wind power generation. In the twomainstream wind turbine generation systems，the direct-driven permanent magnetsynchronous generator(PMSG) system has features of simpler structure, highergeneration efficiency and good operation reliability. The direct-driven PMSG systemhas become one primary technology direction of modern large variable-speedconstant-frequency(VSCF) wind turbine generation systems. Therefore, several keytechnologies of grid-connected converter for direct-driven PMSG system were deeplystudied in this dissertation. The main achievements of the research include：
①From the point of view of system, mathematical model of the direct-drivenPMSG system is established. Several typical algorithms of maximum power pointtracking(MPPT) are compared. Considering the power-speed characteristics, a MPPTcontrol strategy based on the power signal feedback control is proposed in thisdissertation. The simulation model of a2MW direct-driven PMSG system is established.The rationality of the model and the validity of the proposed MPPT control strategy areverified through simulation studies.
②Based on detailed analysis of the fluctuation mechanism for the dc-link voltageof full rated grid-connected converter, the coordinated control strategy of grid sideconverter and generator side converter is proposed to stabilize the dc-link voltage undernormal grid voltage conditions. The generator's output active power information isintegrated into the control of grid side converter. According to the change of operationstate of generator, the active component of grid current is adjusted immediately, andtherefore, the active power delivered to the grid can timely track the generator's outputactive power. Simulation and experimental results confirm the validity and effectivenessof the proposed control strategy.
③In order to optimize the direct-driven PMSG system's output power above therated wind speed, large inertia of this wind generator system, combined with generatorpower control and pitch control, are used to suppress the power fluctuation. When windspeed is under the rating value, rotating speed feedback control was adopted to achievethe maximum power point tracking. A dual-mode power control strategy is proposed forall the wind conditions based on the control modes mentioned above. Simulation results demonstrate that the output active power of the direct-driven PMSG system adopted theproposed dual-mode power control strategy is steadier compared to traditional controlscheme.
④The influence of parameter errors on vector control system is analyzed. Asimple and effective online parameter identification algorithm is proposed to suitablefor engineering application. The algorithm based on compensating voltages-the currentPI regulator outputs, estimates the parameters to be identified quickly and accurately.Simulation and experimental results demonstrate that the current PI regulator outputsbecome to zero after the system is stable. Burden of current PI regulators are greatlyreduced that it can improve the control performance of the PMSG system.
⑤A mathematical model of the grid side converter is established underunbalanced grid voltage conditions. Based on the model, the influence ofgrid-connected impedance on control strategy of grid side converter is analyzed. Anenhanced dc-link voltage control strategy is proposed to suppress the double supplyfrequency fluctuations in dc-link voltage. The calculation of current references for gridconverter is relatively simple and a solution to complicated matrix is avoided.Simulation results demonstrate that the double supply frequency fluctuations in thedc-link voltage can be effectively suppressed. The fluctuation amplitude of active powerand the current harmonics injected into the grid are also reduced by adopted theproposed strategy.
⑥Taking unbalanced grid faults as research focus, an improved control strategyfor grid side converter with dc-link voltage soft control is proposed. The improvedcontrol strategy considering grid-connected impedance and grid current restrictions,takes no double supply frequency fluctuations in the active power delivered to the gridas the object. Based on this, a fault ride through control strategy is proposed for thedirect-driven PMSG system. In the grid fault process, the generator's output activepower is reduced in proportion to retained grid voltage ensuring the roughly balance onboth ends of grid-connected converter. The proposed fault ride through control strategyis applicable to different grid fault types. A certain amount of reactive power can beinjected into the grid to support the power system. Simulation results are used tovalidate the proposed control strategy and demonstrate that fault ride through operationcapability of the direct-driven PMSG system is significantly enhanced.
引文
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