模塊化大容量全功率風(fēng)力發(fā)電變流器運(yùn)行與控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著全球并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電，尤其是海上風(fēng)電的蓬勃發(fā)展，一方面風(fēng)機(jī)單機(jī)捕捉的風(fēng)能和捕捉效率必須不斷提高，以達(dá)到提升效率和降低風(fēng)場(chǎng)單位成本的目的;另一方面電網(wǎng)對(duì)于大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的要求也越來越嚴(yán)苛，這就要求風(fēng)電機(jī)組本身具有很高的運(yùn)行效率、可靠性和并網(wǎng)性能。為提升風(fēng)力發(fā)電整體效率和滿足日益提高的并網(wǎng)要求，全功率柔性并網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)今大功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量已經(jīng)接近甚至達(dá)到十兆瓦的功率等級(jí)，未來還會(huì)不斷增加，考慮目前常規(guī)電力電子

2、器件的容量水平，全功率風(fēng)電變流器匹配風(fēng)機(jī)功率的主要手段是模塊化擴(kuò)容。本文以基于永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）的模塊化大容量全功率風(fēng)電變流器作為研究對(duì)象，從低壓、中壓兩種并網(wǎng)技術(shù)路線出發(fā)，對(duì)低壓并聯(lián)模塊化交-直-交變流器的并網(wǎng)電流控制、中壓交-直-交模塊化多電平變流器(Back to BackModular Multilevel Converter，BTB-MMC)

3、的整體控制以及子模塊電壓波動(dòng)抑制策略、低電壓穿越檢測(cè)及控制、多模塊組合工程技術(shù)等運(yùn)行與控制的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。
　　本文首先以隔離型的低壓獨(dú)立變流器并聯(lián)模塊化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了并網(wǎng)變流器的電流控制技術(shù)。建立了PMSG仿真模型及并聯(lián)系統(tǒng)中的單模塊數(shù)學(xué)模型，并對(duì)單模塊的協(xié)調(diào)控制策略以及并網(wǎng)逆變器控制參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)傳統(tǒng)電流控制策略下，風(fēng)機(jī)或電網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)公共直流側(cè)電壓易波動(dòng)且波動(dòng)大的問題，提出了一種基于瞬時(shí)功率平衡的并網(wǎng)電

4、流補(bǔ)償控制策略，并通過仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的補(bǔ)償控制策略的有效性。由于隔離型的并聯(lián)模塊之間相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)的模塊控制策略對(duì)所有并聯(lián)模塊具有通用性。其次，對(duì)BTB-MMC型中壓級(jí)聯(lián)模塊化全功率風(fēng)電變流器的控制技術(shù)進(jìn)行了研究。建立了MMC的數(shù)學(xué)模型，提出了基于載波移相調(diào)制的中壓風(fēng)電BTB-MMC拓?fù)淇傮w控制策略，對(duì)其中的子模塊穩(wěn)壓控制環(huán)、均壓控制環(huán)以及環(huán)流控制環(huán)進(jìn)行了建模和參數(shù)設(shè)計(jì)。從橋臂能量波動(dòng)分析出發(fā)，指出機(jī)側(cè)MMC子模塊電壓波動(dòng)大、

5、需要大直流濾波電容的根本原因是風(fēng)機(jī)的低頻大電流工況，提出在負(fù)序二倍頻環(huán)流控制器中注入環(huán)流來抑制電壓波動(dòng)的子模塊電壓波動(dòng)抑制策略。但在抑制電壓波動(dòng)的同時(shí)，該策略會(huì)導(dǎo)致環(huán)流二倍頻分量的增加，因此提出了一組表征電壓抑制效果相對(duì)于環(huán)流增加量的折中系數(shù)，指出需根據(jù)系統(tǒng)要求來選擇不同的折中系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到所需求的總體性能。再次，對(duì)全功率風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括三相電壓故

6、障檢測(cè)技術(shù)、LVRT協(xié)調(diào)控制技術(shù)、直流卸荷支路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。在傳統(tǒng)dq鎖相環(huán)基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)，可以快速對(duì)電壓幅度的不平衡及電壓含諧波故障進(jìn)行檢測(cè)，并快速補(bǔ)償相位跳變，仿真結(jié)果證明了提出的鎖相環(huán)的有效性，對(duì)于電網(wǎng)電壓相序的識(shí)別提出了一種簡(jiǎn)易的軟件識(shí)別方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了在低壓全功率風(fēng)機(jī)的兩類傳統(tǒng)LVRT實(shí)現(xiàn)策略下，基于我國(guó)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的卸荷電阻阻值及容量設(shè)計(jì)方法。針對(duì)中壓BTB-MMC拓?fù)渲?，傳統(tǒng)集中式直

7、流卸荷支路在故障穿越過程中的瞬時(shí)電壓尖刺問題，提出了一種基于分布式卸荷支路的LVRT方案，消除了電壓尖刺，并且可以幫助風(fēng)機(jī)順利穿越電壓跌落故障。最后，研究了全功率風(fēng)電變流器中模塊組合的關(guān)鍵技術(shù)，包括多模塊脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生及其邏輯完整性、多模塊驅(qū)動(dòng)供電電源的電磁干擾（Electromagnetic Interfere，EMI）抑制技術(shù)。分析了數(shù)字控制延時(shí)和不同步帶來的PWM錯(cuò)誤邏

8、輯脈沖問題，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable GateArray，F(xiàn)PGA)的改進(jìn)PWM發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)PWM發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了邏輯同步。針對(duì)多模塊驅(qū)動(dòng)供電電源存在EMI干擾的問題，以三相半橋電力電子集成模塊(IntegratedPower Electronics Module，IPEM)為典型研究對(duì)象，分析了三種類型的傳導(dǎo)干擾，提出抑制多電源間EMI干擾的措施，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的抑制措施進(jìn)行