風電變流技術

目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 主流風電變流器的電路拓撲結(jié)構 2
1.2 風電變流器的效率提升 3
1.3 風電變流器的可靠性提升 5
1.4 風電變流器的可用度提升 6
1.5 風電機組的電網(wǎng)支撐與電網(wǎng)故障穿越 8
1.6 風電變流技術展望 9
參考文獻 9
第2章 全功率變換風力發(fā)電系統(tǒng) 18
2.1 全功率變換風電機組的工作原理 18
2.2 全功率風電機組的數(shù)學模型 19
2.2.1 風速模型 19
2.2.2 風力機模型 21
2.2.3 槳距角控制模型 22
2.2.4 驅(qū)動鏈模型 23
2.2.5 發(fā)電機模型 24
2.2.6 變流器模型 29
2.3 基本控制策略與控制參數(shù)設計方法 32
2.3.1 最大功率跟蹤控制 32
2.3.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制 34
2.3.3 機側(cè)變換器控制 35
2.4 變流器控制參數(shù)設計 39
2.4.1 鎖相環(huán)控制參數(shù)設計 39
2.4.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制參數(shù)設計 40
2.4.3 機側(cè)變換器控制參數(shù)設計 44
2.5 變流器主電路參數(shù)設計方法 46
2.5.1 網(wǎng)側(cè)變換器IGBT參數(shù)設計 46
2.5.2 機側(cè)變換器IGBT參數(shù)設計 47
2.5.3 網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)設計 47
2.5.4 機側(cè)濾波器參數(shù)設計 49
2.5.5 直流母線電容參數(shù)設計 51
2.5.6 卸荷回路參數(shù)設計 52
2.6 設計案例 52
參考文獻 54
第3章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 55
3.1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理 55
3.2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模型 56
3.2.1 雙饋感應電機模型 56
3.2.2 網(wǎng)側(cè)濾波器與變流器直流側(cè)模型 60
3.2.3 機側(cè)變換器矢量控制 61
3.2.4 網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制 65
3.2.5 機側(cè)變換器控制參數(shù)設計 66
3.2.6 網(wǎng)側(cè)變換器控制參數(shù)設計 68
3.3 主電路參數(shù)設計方法 70
3.3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器參數(shù)選型設計 70
3.3.2 直流母線電壓設計 73
3.3.3 直流母線電容參數(shù)設計 74
3.3.4 網(wǎng)側(cè)PWM變換器參數(shù)選型設計 75
3.4 雙饋風電變流器設計案例與仿真分析 76
參考文獻 77
第4章 機側(cè)變換器優(yōu)化控制技術 81
4.1 全功率變換機組的機側(cè)變換器控制 82
4.1.1 基于PI的矢量控制 82
4.1.2 基于PR的控制策略研究及仿真驗證 85
4.1.3 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的算法研究及仿真分析 91
4.1.4 性能對比 98
4.2 雙饋風電機組的機側(cè)變換器控制 100
4.2.1 機側(cè)變換器的矢量控制 100
4.2.2 機側(cè)變換器的直接功率(轉(zhuǎn)矩)控制 101
4.2.3 兩種控制策略的對比研究 107
4.2.4 控制策略實驗驗證 116
4.3 機側(cè)變換器對機組軸系扭振的控制 127
4.3.1 不同控制策略對軸系振蕩的阻尼作用 127
4.3.2 機組軸系扭振的鎮(zhèn)定控制 136
4.4 機側(cè)變換器的無速度傳感器控制 139
4.4.1 基于脈沖觀測器的發(fā)電機磁鏈估計 139
4.4.2 機側(cè)變換器無速度傳感器控制 145
參考文獻 150
第5章 網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化控制技術 154
5.1 網(wǎng)側(cè)變換器動態(tài)性能優(yōu)化控制 154
5.1.1 雙閉環(huán)PI控制的動態(tài)性能分析 154
5.1.2 電壓給定斜率限制和負載電流前饋 157
5.1.3 電壓平方反饋控制 158
5.1.4 無差拍預測電流控制 159
5.1.5 實驗驗證與分析 161
5.2 應對電網(wǎng)電壓不平衡的電流優(yōu)化控制 162
5.2.1 正負序分解控制 162
5.2.2 滑?？刂?172
5.3 應對電網(wǎng)電壓畸變的電流優(yōu)化控制 192
5.3.1 諧波畸變電網(wǎng)下網(wǎng)側(cè)變換器的功率模型 192
5.3.2 諧波畸變電網(wǎng)下比例多諧振調(diào)節(jié)器的參數(shù)設計 194
5.3.3 諧波畸變電網(wǎng)下基波電壓同步與諧波提取 202
5.3.4 網(wǎng)側(cè)變換器的比例多諧振控制系統(tǒng) 209
5.3.5 硬件在環(huán)實驗驗證 210
5.4 直接功率控制 214
5.4.1 基于開關表的網(wǎng)側(cè)變換器直接功率控制 214
5.4.2 基于空間矢量調(diào)制的網(wǎng)側(cè)變換器直接功率控制 217
5.4.3 直接功率控制器參數(shù)設計方法 218
5.4.4 仿真分析 219
5.5 無電網(wǎng)電壓傳感器控制 220
5.5.1 三相VSC的虛擬磁鏈定向控制 220
5.5.2 LCLVSC的簡化數(shù)學模型 224
5.5.3 LCLVSC的無電網(wǎng)電壓傳感器控制 225
5.5.4 實驗驗證 228
參考文獻 230
第6章 犔犆犔濾波器和中間直流環(huán)節(jié)的優(yōu)化 231
6.1 網(wǎng)側(cè)LCL濾波器的有源阻尼控制 231
6.1.1 反饋有源阻尼控制理論 232
6.1.2 反饋有源阻尼控制中反饋環(huán)節(jié)的設計 234
6.1.3 LCLVSC的濾波有源阻尼控制 237
6.1.4 仿真分析 240
6.1.5 實驗驗證 243
6.2 變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓波動抑制 244
6.2.1 基于無源性理論的風電機組聯(lián)合控制器設計 244
6.2.2 具有L 2干擾抑制的無源控制器改進 253
6.2.3 變流器快速性能約束及功率斜率控制 255
6.2.4 實驗驗證與分析 261
參考文獻 264
第7章 風電變流器的電網(wǎng)故障穿越與不間斷運行 266
7.1 電網(wǎng)故障下雙饋感應電機的暫態(tài)特性 266
7.1.1 對稱電壓跌落時的轉(zhuǎn)子開路電壓 266
7.1.2 對稱電壓跌落時的轉(zhuǎn)子電流 268
7.1.3 仿真驗證 270
7.2 電網(wǎng)故障穿越 273
7.2.1 國外電壓故障穿越相關規(guī)范 273
7.2.2 中國故障電壓穿越相關規(guī)范 275
7.2.3 低電壓穿越保護方案 276
7.3 故障不間斷運行 285
7.3.1 定子側(cè)串聯(lián)阻抗 285
7.3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)電阻 302
參考文獻 313
第8章 模塊化組合并聯(lián)風電變換器 314
8.1 多變流回路并聯(lián)技術 314
8.1.1 多變流回路并聯(lián)方法 314
8.1.2 多變換器并聯(lián)的環(huán)流特性 316
8.1.3 多變換器并聯(lián)的環(huán)流控制 319
8.1.4 多變換器并聯(lián)仿真分析 322
8.2 并聯(lián)變換器系統(tǒng)的效率提升技術 328
8.2.1 中低壓開關混合的三電平NPC變換器 328
8.2.2 基于DPWM的交錯并聯(lián)調(diào)制降損優(yōu)化 336
8.2.3 并聯(lián)變換器系統(tǒng)運行效率優(yōu)化控制 343
8.2.4 發(fā)電機變流器組的整體效率優(yōu)化控制 353
8.3 基于環(huán)流的并聯(lián)變換器系統(tǒng)熱狀態(tài)控制 360
8.3.1 并聯(lián)變換器系統(tǒng)的主動環(huán)流控制 361
8.3.2 基于環(huán)流的熱應力平滑控制 365
8.3.3 基于環(huán)流的預防凝露控制 371
參考文獻 374
第9章 并聯(lián)變流系統(tǒng)的容錯與重構運行 376
9.1 并聯(lián)型風電變流器的容錯控制 377
9.1.1 并聯(lián)變流系統(tǒng)的橋臂開路故障運行機制 377
9.1.2 并聯(lián)變流系統(tǒng)的容錯控制策略 379
9.1.3 并聯(lián)三電平變換器系統(tǒng)的外管開路故障容錯控制 384
9.1.4 仿真分析與驗證 389
9.2 故障重構控制 392
9.2.1 并聯(lián)變流系統(tǒng)的故障重構系統(tǒng)結(jié)構 392
9.2.2 故障檢測與故障隔離 395
9.2.3 并聯(lián)變流器系統(tǒng)重構控制策略 396
9.2.4 仿真分析與驗證 398
9.2.5 實驗研究 402
參考文獻 404
第10章 風電變流器的電壓源控制 405
10.1 基本概念 405
10.2 網(wǎng)側(cè)變換器的慣性同步控制 406
10.3 機側(cè)變換器的慣量傳遞控制 408
10.3.1 全功率變換風電機組的機側(cè)變換器控制 408
10.3.2 雙饋風電機組的機側(cè)變換器控制 410
10.4 電壓源控制的實驗研究與對比分析 412
10.4.1 對電網(wǎng)頻率阻尼的能力 413
10.4.2 弱電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性 414
10.4.3 電網(wǎng)頻率的二次跌落 415
10.4.4 機組載荷分析 416
10.4.5 對比分析與綜合評估 417
10.4.6 機側(cè)慣量傳遞網(wǎng)側(cè)慣性同步控制的優(yōu)化 418
參考文獻 420
附錄1 2MW永磁直驅(qū)風電機組變流控制器硬件在環(huán)實時仿真平臺 422
附錄2 350KW感應電機全功率變換風電機組變流系統(tǒng)實驗平臺 425
附錄3 2MW雙饋風電機組變流控制器硬件在環(huán)實時仿真平臺 429
附錄4 雙變流回路并聯(lián)的3MW/4MVA全功率變流實驗系統(tǒng) 432