并网直驱式风电机组直流电压控制文献综述

文 献 综 述

风能能源是最常见的可再生能源。我国由于西北部地区某些地方地广人稀，风能资源多，为提高供电的效率，近年来我国大规模发展风电，风电产业的发展很迅速，单个机组单机容量一直在提高，而风电场的兴建也在加快，现已规划和建设了许多大规模风电场，且多数风电场位于电网结构薄弱环节，越来越多的风能将被人们使用。然而，风能具有随机性和不可控性，随着入网风电容量的增加，对电网的稳定性造成很大威胁，因此随着风电场单机容量的日益增大，直驱式风电系统以其固有的优势备受关注。

常见的笼型异步发电机和双馈异步发电机，由于存在齿轮箱，双馈异步发电机还存在碳刷和滑环，使得系统成本高、可靠性差、维护量大，且噪声污染严重。并且当其低负荷运行时，效率较低，特别是随着单机容量的增大，问题更加突出。直驱和无刷化越来越受到人们的关注。因此，基于变速运行、变桨距调节、低转速、高效率、高功率因数的直驱永磁同步风力发电机(DDPMG)已成为研究开发的热点之一。该类型发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化；并且运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数；采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱，提高了风力发电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量，减少了噪声污染。我国在该领域正处于研究、试验阶段，主要研究DDPMG组的总体设计技术、关键部件的设计与制造技术以及大型DDPMG的功率调节技术等。

直驱式风电机组正常工作时，要求直流侧电压保持恒定。当风速变化，或者故障造成并网点电压变化时，原有的功率平衡被破坏，不平衡功率使得直流侧电容的电压升高或者降低，偏离正常的工作点。文献[1-2]建立了适用于电力系统暂态稳定分析的直驱式风力发电机组机电暂态模型，研究了并网的大容量直驱式永磁风力发电系统的暂态特性，仿真结果表明电网故障时，直驱式永磁风力发电系统可以进行无功功率控制，对电网电压的恢复有积极作用，不向短路点提供短路电流，确保风电系统连续运行，提高了电力系统的安全稳定性。文献[4-6]主要围绕并网型直驱永磁风力发电系统并网变流器建模与控制和低电压穿越相关控制技术展开研究，对直流侧过电压保护与网侧无功控制策略等相关技术以及直流侧卸载电路进行分析探讨，通过仿真验证了理论研究的正确性。文献[7]以背靠背的双PWM变流器D-PMSG为对象，建立了双PWM变流器的D-PMSG的数学模型(包括风力机空气动力学模型，永磁发电机数学模型，PWM变流器数学模型)，研究了D-PMSG完整的控制方法以及其并网方式，通过变桨距角控制，保持风力发电机组在超过额定风速时以额定功率安全运行。采用转子磁场定向的矢量控制方法实现了发电机侧有功功率与无功功率的解祸控制和机组转速的控制。网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略实现了电网侧逆变器有功、无功的解藕控制。文献[11-14]推导了并网逆变器的数学模型，为减小并网逆变器输出电流中的谐波，采用了空间矢量脉宽调制技术，建立了基于双PWM变换器的直驱永磁同步风力发电实验系统，详细介绍了发电机侧和电网侧PWM变流器的运行状态，在数学模型的基础上给出了具体的控制策略，仿真和实验结果都表明系统能够在不同风速下稳定运行，并网电流质量较高。文献[15]分析了传统功率控制方法下永磁直驱变速风电系统的稳定性，提出一种改进型功率控制方法，以抑制系统低频振荡并提高系统稳定性。分析表明，在功率控制模式下，传动系统的动态会引起发电机转速的低频谐振，导致系统输出功率低频振荡，影响风电系统和电力系统的稳定运行；降低发电机转矩环带宽可以提高系统的稳定裕度，却会降低系统的响应速度。所提出的改进型功率控制方法通过变流器开关模型重构直流母线电流，并基于该观测值构成发电机转矩控制环的前馈补偿项。该方法可有效降低系统的低频振荡，提高系统稳定性。文献[17]首先根据永磁直驱风电机组的工作原理，提出了双PWM变流器的控制策略，设计了三相电压软件锁相环SPLL，并通过仿真验证了风能最大功率跟踪控制、SPLL、SVPWM控制算法和双PWM变流器控制策略的正确性和有效性。其次，分析了VRB具有的特点，并根据VRB工作原理，搭建了其等效电路模型，通过仿真验证了其良好的充放电特性。最后，对储能系统进行了硬件和软件设计，搭建了应用电池储能平滑风电输出功率的小功率系统硬件实验平台，实验结果验证了应用电池储能够快速吞吐风力发电输出功率，有效平滑风力发电输出功率，以及所提出控制策略的正确性和有效性，为永磁直驱同步风力发电机组提高低电压穿越能力和提高并网风电场的电能质量和稳定性提供了一定的理论参考依据，为工程应用奠定了基础。

通过对参考文献的学习，我对并网直驱式风电机组的概念有了一定的认识。本科学习期间接触到了很多电机模型、电力电子器件模型等，但是仅是现有的知识储备还是不够的，所以接下来我会仔细学习文献中涉及到的并网直驱式风电机组模型的基本原理，做到能够熟练运用，为后期的建模做好准备。而在MATLAB／Simulink／PowerSystemBlockset模型库中包含了常用的电力电子器件模型以及我们需要的电机模型，可以直接从模型库里学找所需要的模型并用来搭建模型，这样既方便又快捷。MATLAB中所使用的各种模型都是宏观模型，也就是各种元器件的外观特性和我们现实生活中使用的模型相似，满足我们所需的基本要求，而它的内部结构不属于我们考虑的范围，属于系统级模型。MATLAB中的各种电子元器件模型都比较简洁，它所占用的资源不是很多，所以我们用软件仿真的时候几乎都是可以收敛的。由于MATLAB／Simulink的控制功能很强大、收敛性好这两个比较重要的原因，所以我选择用该软件来进行直驱式风电机组直流侧控制的建模与分析以及扰动情况下的动态仿真。本文对并网直驱式风电机组有了初步的认识，为以后对风电机组其他方面的进一步研究作了准备。

参 考 文 献

[1] 蔺红，晃勤. 并网型直驱式永磁同步风力发电系统暂态特性仿真分析[D].电力自动化设备，2010，11(30)：1-5.

[2] 高峰，周孝信，朱宁辉. 直驱式风电机组机电暂态建模及仿真[J]. 电网技术,2011,35(11):29-33.

[3] Neris A S,Vovos N A,Ginn. Variable speed wind energy conversion scheme for connection to weak AC systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2009,14(1):122-127.

[4] 饶瑜. 并网型直驱风力发电系统低电压穿越技术研究[D].硕士论文,2012.