【摘 要】
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随着化石能源危机和环境污染问题日益突出,风能因具备绿色环保、循环再生等优势,近年来备受瞩目。永磁直驱风力发电机组凭借噪音较小、维护成本低等优点成为风力发电的主流机型之一。风电机组通过逆变器并网,逆变器是电力电子电路,对电能的动态变化响应速度快,因而风电机组不能像传统同步发电机组一样给电网提供惯性和阻尼支撑,容易导致电力系统电压和频率波动,引发失稳问题。针对此问题,本文在永磁直驱风力发电系统中引入虚
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随着化石能源危机和环境污染问题日益突出,风能因具备绿色环保、循环再生等优势,近年来备受瞩目。永磁直驱风力发电机组凭借噪音较小、维护成本低等优点成为风力发电的主流机型之一。风电机组通过逆变器并网,逆变器是电力电子电路,对电能的动态变化响应速度快,因而风电机组不能像传统同步发电机组一样给电网提供惯性和阻尼支撑,容易导致电力系统电压和频率波动,引发失稳问题。针对此问题,本文在永磁直驱风力发电系统中引入虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator,VSG）控制技术,类比传统同步发电机的运行特性,使风力发电机组并网时对电能变化的惯性和阻尼增大,有效解决风力发电系统因缺乏并网惯量而导致的电力系统失稳问题。分析了VSG控制技术应用于永磁直驱风力发电系统（Direct-drive Permanent Magnet Wind Power System,D-PMWPS）的研究背景和意义,介绍了虚拟同步发电机技术的历史溯源,归纳了目前国内外在VSG领域的研究现状,总结了VSG技术存在的问题,概述了论文主要研究的工作。简述了传统永磁直驱风力发电系统的总体结构,建立了以永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG）、风力机、机侧变流器以及网侧变流器为核心的永磁直驱风力发电机组数学模型。对机侧变流器选用矢量策略、网侧变流器选用电网电压定向策略的永磁同步发电系统进行了仿真分析,为后续章节在直驱式风力发电系统中引入VSG控制技术的分析比较做好铺垫。建立了同步发电机（Synchronous Generator,SG）的数学模型,研究了VSG技术向风力发电机组并网逆变器移植的机理,对逆变器虚拟同步化的过程进行了分析,对采用VSG技术的逆变器和传统SG进行了分析和比较,对采用VSG技术的逆变器进行了仿真分析,结果证明采用VSG技术的逆变器可以有效提高对电压和频率变化的惯性和阻尼作用,提高电网工作稳定性。为提高逆变器在离/并网工况的自稳性能,以SG电磁平衡方程为基础,提出了准比例谐振（Quasi Proportional Resonance,QPR）控制器与VSG算法相结合的控制方案,该方案简化了VSG控制环路的设计。仿真和实验证实了通过QPR加VSG控制策略可以提升逆变器的动态性能。对机侧变流器采用矢量控制,网侧变流器采用QPR加VSG控制的永磁直驱风力发电机组进行了仿真研究,结果表明,该套控制策略比网侧使用电网电压定向控制能更为有效地抑制电网电压和频率波动,更好地提高了电网系统的稳定性。研究了基于VSG控制的逆变器离/并网无缝切换技术,把电网电压作为参考方向,改变VSG角频率参考值,使输出端电压在q轴上的分量为零,进而实现VSG预同步控制策略。在不改变VSG控制模型的前提下,实现了VSG控制在离/并网双模式下运作,实现模式间的无缝切换,平滑过渡。仿真证明了离/并网无缝切换技术的有效性。
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