风电变流技术

目录 序 前言 第1章 绪论 1 1.1 主流风电变流器的电路拓扑结构 2 1.2 风电变流器的效率提升 3 1.3 风电变流器的可靠性提升 5 1.4 风电变流器的可用度提升 6 1.5 风电机组的电网支撑与电网故障穿越 8 1.6 风电变流技术展望 9 参考文献 9 第2章 全功率变换风力发电系统 18 2.1 全功率变换风电机组的工作原理 18 2.2 全功率风电机组的数学模型 19 2.2.1 风速模型 19 2.2.2 风力机模型 21 2.2.3 桨距角控制模型 22 2.2.4 驱动链模型 23 2.2.5 发电机模型 24 2.2.6 变流器模型 29 2.3 基本控制策略与控制参数设计方法 32 2.3.1 *大功率跟踪控制 32 2.3.2 网侧变换器控制 34 2.3.3 机侧变换器控制 35 2.4 变流器控制参数设计 39 2.4.1 锁相环控制参数设计 39 2.4.2 网侧变换器控制参数设计 40 2.4.3 机侧变换器控制参数设计 44 2.5 变流器主电路参数设计方法 46 2.5.1 网侧变换器IGBT参数设计 46 2.5.2 机侧变换器IGBT参数设计 47 2.5.3 网侧滤波器参数设计 47 2.5.4 机侧滤波器参数设计 49 2.5.5 直流母线电容参数设计 51 2.5.6 卸荷回路参数设计 52 2.6 设计案例 52 参考文献 54 第3章 双馈风力发电系统 55 3.1 双馈风力发电系统的基本工作原理 55 3.2 双馈风力发电系统的动态模型 56 3.2.1 双馈感应电机模型 56 3.2.2 网侧滤波器与变流器直流侧模型 60 3.2.3 机侧变换器矢量控制 61 3.2.4 网侧变换器矢量控制 65 3.2.5 机侧变换器控制参数设计 66 3.2.6 网侧变换器控制参数设计 68 3.3 主电路参数设计方法 70 3.3.1 转子侧PWM变换器参数选型设计 70 3.3.2 直流母线电压设计 73 3.3.3 直流母线电容参数设计 74 3.3.4 网侧PWM变换器参数选型设计 75 3.4 双馈风电变流器设计案例与仿真分析 76 参考文献 77 第4章 机侧变换器优化控制技术 81 4.1 全功率变换机组的机侧变换器控制 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验证 85 4.1.3 基于直接转矩控制的算法研究及仿真分析 91 4.1.4 性能对比 98 4.2 双馈风电机组的机侧变换器控制 100 4.2.1 机侧变换器的矢量控制 100 4.2.2 机侧变换器的直接功率(转矩)控制 101 4.2.3 两种控制策略的对比研究 107 4.2.4 控制策略实验验证 116 4.3 机侧变换器对机组轴系扭振的控制 127 4.3.1 不同控制策略对轴系振荡的阻尼作用 127 4.3.2 机组轴系扭振的镇定控制 136 4.4 机侧变换器的无速度传感器控制 139 4.4.1 基于脉冲观测器的发电机磁链估计 139 4.4.2 机侧变换器无速度传感器控制 145 参考文献 150 第5章 网侧变换器优化控制技术 154 5.1 网侧变换器动态性能优化控制 154 5.1.1 双闭环PI控制的动态性能分析 154 5.1.2 电压给定斜率限制和负载电流前馈 157 5.1.3 电压平方反馈控制 158 5.1.4 无差拍预测电流控制 159 5.1.5 实验验证与分析 161 5.2 应对电网电压不平衡的电流优化控制 162 5.2.1 正负序分解控制 162 5.2.2 滑模控制 172 5.3 应对电网电压畸变的电流优化控制 192 5.3.1 谐波畸变电网下网侧变换器的功率模型 192 5.3.2 谐波畸变电网下比例多谐振调节器的参数设计 194 5.3.3 谐波畸变电网下基波电压同步与谐波提取 202 5.3.4 网侧变换器的比例多谐振控制系统 209 5.3.5 硬件在环实验验证 210 5.4 直接功率控制 214 5.4.1 基于开关表的网侧变换器直接功率控制 214 5.4.2 基于空间矢量调制的网侧变换器直接功率控制 217 5.4.3 直接功率控制器参数设计方法 218 5.4.4 仿真分析 219 5.5 无电网电压传感器控制 220 5.5.1 三相VSC的虚拟磁链定向控制 220 5.5.2 LCLVSC的简化数学模型 224 5.5.3 LCLVSC的无电网电压传感器控制 225 5.5.4 实验验证 228 参考文献 230 第6章 犔犆犔滤波器和中间直流环节的优化 231 6.1 网侧LCL滤波器的有源阻尼控制 231 6.1.1 反馈有源阻尼控制理论 232 6.1.2 反馈有源阻尼控制中反馈环节的设计 234 6.1.3 LCLVSC的滤波有源阻尼控制 237 6.1.4 仿真分析 240 6.1.5 实验验证 243 6.2 变流器中间直流环节电压波动抑制 244 6.2.1 基于无源性理论的风电机组联合控制器设计 244 6.2.2 具有L 2干扰抑制的无源控制器改进 253 6.2.3 变流器快速性能约束及功率斜率控制 255 6.2.4 实验验证与分析 261 参考文献 264 第7章 风电变流器的电网故障穿越与不间断运行 266 7.1 电网故障下双馈感应电机的暂态特性 266 7.1.1 对称电压跌落时的转子开路电压 266 7.1.2 对称电压跌落时的转子电流 268 7.1.3 仿真验证 270 7.2 电网故障穿越 273 7.2.1 国外电压故障穿越相关规范 273 7.2.2 中国故障电压穿越相关规范 275 7.2.3 低电压穿越保护方案 276 7.3 故障不间断运行 285 7.3.1 定子侧串联阻抗 285 7.3.2 转子侧串联电阻 302 参考文献 313 第8章 模块化组合并联风电变换器 314 8.1 多变流回路并联技术 314 8.1.1 多变流回路并联方法 314 8.1.2 多变换器并联的环流特性 316 8.1.3 多变换器并联的环流控制 319 8.1.4 多变换器并联仿真分析 322 8.2 并联变换器系统的效率提升技术 328 8.2.1 中低压开关混合的三电平NPC变换器 328 8.2.2 基于DPWM的交错并联调制降损优化 336 8.2.3 并联变换器系统运行效率优化控制 343 8.2.4 发电机变流器组的整体效率优化控制 353 8.3 基于环流的并联变换器系统热状态控制 360 8.3.1 并联变换器系统的主动环流控制 361 8.3.2 基于环流的热应力平滑控制 365 8.3.3 基于环流的预防凝露控制 371 参考文献 374 第9章 并联变流系统的容错与重构运行 376 9.1 并联型风电变流器的容错控制 377 9.1.1 并联变流系统的桥臂开路故障运行机制 377 9.1.2 并联变流系统的容错控制策略 379 9.1.3 并联三电平变换器系统的外管开路故障容错控制 384 9.1.4 仿真分析与验证 389 9.2 故障重构控制 392 9.2.1 并联变流系统的故障重构系统结构 392 9.2.2 故障检测与故障隔离 395 9.2.3 并联变流器系统重构控制策略 396 9.2.4 仿真分析与验证 398 9.2.5 实验研究 402 参考文献 404 第10章 风电变流器的电压源控制 405 10.1 基本概念 405 10.2 网侧变换器的惯性同步控制 406 10.3 机侧变换器的惯量传递控制 408 10.3.1 全功率变换风电机组的机侧变换器控制 408 10.3.2 双馈风电机组的机侧变换器控制 410 10.4 电压源控制的实验研究与对比分析 412 10.4.1 对电网频率阻尼的能力 413 10.4.2 弱电网运行的稳定性 414 10.4.3 电网频率的二次跌落 415 10.4.4 机组载荷分析 416 10.4.5 对比分析与综合评估 417 10.4.6 机侧惯量传递网侧惯性同步控制的优化 418 参考文献 420 附录1 2MW永磁直驱风电机组变流控制器硬件在环实时仿真平台 422 附录2 350KW感应电机全功率变换风电机组变流系统实验平台 425 附录3 2MW双馈风电机组变流控制器硬件在环实时仿真平台 429 附录4 双变流回路并联的3MW/4MVA全功率变流实验系统 432