直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)變流器容錯運行綜合優(yōu)化設計.pdf

1、風力發(fā)電已經(jīng)成為解決化石能源危機及環(huán)境污染的重要途徑，越來越受到世界各國的重視。由于低速永磁直驅(qū)式風機具有機械損耗小，運行效率高、能量密度大、維護成本低等優(yōu)點，逐漸得到廣泛應用。隨著風力發(fā)電機組裝機容量的不斷擴大，并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響日益顯著。為維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及不間斷運行能力得到廣泛關注。研究表明，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，功率變換環(huán)節(jié)尤其是變流器中的電力電子功率開關及其驅(qū)動電路是最易發(fā)生故障的薄

2、弱環(huán)節(jié)，嚴重制約其并網(wǎng)運行的可靠性。因此，本文以直驅(qū)式低速永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，針對系統(tǒng)中電力電子器件發(fā)生故障導致的并網(wǎng)側變流器或機側變流器一相橋臂失效這一最常見的故障工況展開了詳細研究，提出將故障后的變流器重構為三相四開關拓撲，實現(xiàn)變流器的容錯運行及風力發(fā)電系統(tǒng)的不間斷并網(wǎng)發(fā)電。為保證故障后永磁風力發(fā)電系統(tǒng)容錯運行的性能，本文以理論分析和實驗驗證為手段，深入、系統(tǒng)地分析了容錯型三相四開關拓撲應用于永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中的行為特

3、征，提出一系列優(yōu)化手段，減小電力電子器件故障對永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的不利影響，實現(xiàn)故障后的不脫網(wǎng)、不間斷運行。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對容錯運行的三相四開關并網(wǎng)變流器，提出一種非正交坐標變換方法，并推導出變流器在非正交坐標系下的數(shù)學模型，給出了相應的控制器設計方法。同時，推導出一種基于非正交坐標變換的改進型空間矢量調(diào)制方法，可以抑制電容中性點電壓波動造成的三相四開關并網(wǎng)變流器并網(wǎng)電流畸變。⑵提出以并網(wǎng)電流三相紋波值、共模電壓及電

4、容電流應力作為衡量容錯型三相四開關并網(wǎng)變流器運行可靠性的關鍵指標，探討了三種常用的等效零矢量合成方法對三相電流紋波、共模電壓及電容電流性能的影響，并將有效值計算方法應用于分析零矢量合成方法與三個關鍵指標的關系。通過理論計算和實驗研究，證明零矢量合成方法對提高容錯型三相四開關并網(wǎng)變流器的運行可靠性具有至關重要的作用。⑶針對機側變流器故障后的情況，建立了考慮電容電壓波動時的容錯型三相四開關機側變流器的數(shù)學模型。通過理論分析，綜合考慮永磁發(fā)電

5、機的轉速、電磁轉矩等工作狀態(tài)，提出了一種容錯機側變流器的新型線性調(diào)制區(qū)域判斷方法。同時，為避免中性點電壓偏置對線性調(diào)制范圍的影響，提出一種轉速自適應的中性點電壓控制方法，可以快速消除發(fā)電機動態(tài)過程中的中性點電壓偏置。⑷針對容錯運行的永磁同步發(fā)電機輸出轉矩性能展開分析，揭示出三相四開關變流器驅(qū)動永磁發(fā)電機產(chǎn)生轉矩脈動的特有原因，并提出相應的解決方案。首先，對機側變流器的矢量調(diào)制算法進行電容電壓補償，消除電容電壓周期性波動造成的轉矩二倍頻脈