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非理想电网下储能直驱风力并网电力发电研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文主要针对非理想电网下储能直驱风力发电系统的并网逆变器和混合储能系统进行研究,分析电网出现不平衡、电压闪变(跌落)时并网功率突变对直流母线电
第1章绪论
 
1.1课题背景及研究意义
几个世纪以来,由于全球范围内经济发展而导致能源消费增长。目前,世界上普遍使用的为煤炭、石油以及天然气等无法再生能源,由于其储量有限,根据当下的使用量推断,百年内将形成不容忽视的能源危机。同时,众所周知,传统化石能源在使用过程中将会产生多种有害物,导致人类生活环境逐步恶化,全球性的气候变暖和酸雨现象主要由燃烧化石能源所产生的二氧化碳和硫化物造成,我国正在面临的PM2.5、PM10恶劣污染也同样由硫和氮的氧化物转化而成。人类经济社会的快速发展在能源紧缺和环境友好的制约下迫切需求我们寻找可再生的清洁替代能源。在清洁能源中风能作为最具发展潜力和发展优势的可再生能源,首先它清洁无污染,在使用风能的过程中并不伴随产生环境问题,大量开发利用风能可有效缓解化石能源带来的大气污染等环境问题;其次风能蕴含量巨大,全球范围风能总量远超煤炭石油,并且取之不尽,可以应对能源短缺问题;最后,风力发电技术的日渐成熟使风能的开发利用得以实现,风能利用率不断提高,发电成本持续下降。根据《全球风电统计数据分析》可知,2015年世界范围内风力发电装设总量为43200MW,其中年内增加量为6301MW,第一次冲破6000MW大关,增长速度惊人。其中,我国年内装设量为3050MW,最新统计总量为14500MW,继续领跑全球,位列前三的另外两个国家为美国和德国,新建量分别为860MW和601MW,总容量分别达到7447MW和4495MW,亚洲近邻中,印度新建风电262MW,位列世界第四。海洋风力发电领域中,根据数据统计得到去年新建总量为339MW,增长了将近2倍,从各个国家角度分析,英国依然领跑,为全球海上风电第一大国,但是德国以年增228MW的速度独占总新建量的67%,上升势头强劲。我国因地形原因具有丰富的可利用风能,目前已经探明的陆地风能资源有25300MW,海上风力发电同样前景巨大,可利用资源达到75000MW。
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1.2国内外研究现状综述
风力发电系统一般由风机设备、齿轮变速箱、发电机以及电力电子变流器等构成。并网风力发电系统按照不同的标准可以进行多种分类,如按照风机旋转速度不同可规定为恒定转速风力发电机系统、有限变转速风力发电机系统和变转速风力发电机系统;按照齿轮箱类型可以分为多级齿轮箱驱动型风力发电系统、单级齿轮箱驱动风力发电系统和直驱式风力发电系统;根据发电机类型可以分为笼型感应电机风力发电系统、电励磁同步电机风力发电系统和永磁直驱电机风力发电系统;根据风机控制方式的不同可以分为恒速恒频和变速恒频两种风力发电系统。恒速恒频风力发电系统中齿轮箱连接风机和发电机,需要调节齿轮箱转速来调整发电机转速,其缺点是当发电过程中风速改变时转子转速保持不变导致风能利用率和功率因数较低、发电机启动时电流较大,需要适当补偿无功和实施软启动。变速恒频风力发电系统能够通过电力电子变流器来控制发电机转速,从而克服了恒速恒频系统的缺点,提高了风能利用率并且能够完成最大功率跟踪的目标。因此,变速恒频风力发电系统在现今应用较广。主流变速恒频系统目前主要分为双馈感应电机风力发电系统和永磁直驱同步电机风力发电系统[1]。双馈感应风力发电系统模型如图1-1所示,其发电机定子和转子所发能量分别经变压器和电力电子变流器并网,这种并网模式可以通过控制电力电子变流器实现变速恒频,并且能够解耦控制有功和无功功率。但是此风力发电系统需要齿轮箱连接风机和发电机并时常维护,增加了大量成本,使得效率以及稳定性下降。
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第2章直驱风力并网发电系统控制策略研究
 
2.1引言
机侧与网侧变换器均采用三相电压型PWM变换器拓扑结构,作为风力发电系统的核心控制设备,机侧整流器主要作用是实现最大功率跟踪,网侧逆变器的主要作用是当风速不稳定时使风力发电机组输出的交流电与电网同步,并控制输入到电网的有功和无功功率。本章将对直驱并网风力发电系统展开研究,对发电机及PWM变换器进行数学建模,在所建立模型的基础上对电网电压理想状态下的机侧及网侧变换器进行仿真,验证理论分析的正确性,为接下来不平衡电网下的研究打下理论基础。
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2.2直驱永磁同步电机的数学建模
直驱永磁同步电机内部磁路复杂,可能会产生磁滞或存在漏感等现象,因此在进行数学建模时,为简化分析过程将忽略上述情况,将其视为理想的直驱永磁同步电机。省略推导过程,根据文献[37]与文献[38]直接列写两相同步旋转坐标系下的数学模型如下所示,三相电压型PWM变换器的数学模型通常分为以开关函数进行描述和以占空比进行描述两种形式,以开关函数描述的PWM变换器数学模型能精确地表现其工作时的开关状态,因此能够很好地利用其对电路拓扑控制系统进行仿真,作为所设计控制系统是否具备良好性能的衡量标准。
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第3章非理想电网下网侧逆变器的控制策略研究........25
3.1引言........25
3.2非理想电网下直流母线电压波动泵升机理及仿真验证....25
3.2.1非理想电网下直流母线电压波动泵升机理分析........25
3.2.2直流母线电压波动泵升理论的仿真验证....28
3.3非理想电网下网侧逆变器基于正负序分解控制策略研究........29
3.4非理想电网下网侧逆变器直接功率控制策略研究....38
3.5两种网侧逆变器控制策略的对比分析........45
3.6本章小结........46
第4章非理想电网下风电系统中混合储能控制策略研究....47
4.1引言........47
4.2混合储能系统中储能元件分析....47
4.3混合储能系统中双向DC/DC变换器的建模及分析..........52
4.4.1混合储能系统中PI调节器设计...........56
4.4.2混合储能系统与逆变器控制策略相结合的仿真验证........58
4.5本章小结........61
第5章非理想电网下混合储能及网侧逆变器实验分析........62
5.1引言........62
5.2混合储能系统实验平台介绍及波形分析....62
 
第5章非理想电网下混合储能及网侧逆变器实验分析
 
5.1引言
本文主要对非理想电网下储能直驱风力并网发电系统进行研究,在前文对混合储能系统与网侧逆变器控制策略理论仿真的基础上,本章将对所搭建的混合储能系统实验平台和并网逆变器实验平台进行介绍,并将TMS320F2812应用到数字控制系统中,采用C语言进行编程调试,从而验证前述控制理论的正确性。第5章非理想电网下混合储能及网侧逆变器实验分析5.1引言本文主要对非理想电网下储能直驱风力并网发电系统进行研究,在前文对混合储能系统与网侧逆变器控制策略理论仿真的基础上,本章将对所搭建的混合储能系统实验平台和并网逆变器实验平台进行介绍,并将TMS320F2812应用到数字控制系统中,采用C语言进行编程调试,从而验证前述控制理论的正确性。本次实验主要是针对非理想电网进行验证,为了抑制由于电网电压不平衡而引起的直流母线电压波动和泵升,母线电容的选取可以比正常值稍大;为了控制直流侧母线电压,采用了直流电压外环的控制策略,如果电容值取值过大,必然会导致电压外环的快速性降低,无法快速跟踪给定,因此从快速性考虑又要求直流滤波电容尽可能小。这就形成了一对矛盾的结论,因此设计直流滤波电容要在两者之间取平衡。
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结论
 
在能源紧缺与环境保护的双重约束下,风力发电技术在世界范围内各个国家引起了重视。目前永磁直驱风力发电系统研究多集中在理想电网情况下,当电网电压出现不对称故障时将会导致并网功率和直流母线电压出现二倍电网频率波动和泵升,传统的网侧逆变器控制策略将不能实现有效并网。本文重点对非理想电网下的网侧逆变器控制策略和混合储能系统展开分析,提出将二者相结合的控制方法共同稳定直流母线电压、消除二倍频波动,从而实现系统稳定运行,在理论研究的同时进行了仿真以及实验验证。本文主要工作成果和结论如下所述:
(1)通过对永磁直驱并网风力发电系统的整体研究,在发电机和PWM变换器数学模型的基础上,在理想电网条件下对机侧整流器和网侧逆变器的常规控制方法作出了分析介绍,同时在仿真软件中加以验证,为电网不对称跌落故障情况时的分析研究奠定了基础。
(2)理论上详细分析了非理想电网下直流母线电压波动泵升机理,由于并网电压电流中存在负序分量,导致并网功率存在二倍电网频率波动,从而在直流母线电压中产生谐波,同时,当电网电压跌落时母线电容上两侧功率不平衡,导致母线电压泵升。
(3)针对电网电压不平衡时的并网稳定性及母线电压波动问题,采用基于正负序分解的控制策略和直接功率控制策略对网侧逆变器进行控制,二者均可实现并网有功功率平衡、并网电流平衡和并网无功功率平衡三种控制目标,根据实际应用,对前两种控制目标进行了仿真验证。通过对仿真结果分析,对比得出基于正负序分解的控制策略虽然系统复杂但控制效果不受电网频率变化影响,直接功率控制策略中由于采用比例积分谐振控制器,控制效果对电网频率依赖较为严重,但其结构简单、控制方便。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:工程论文)
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