直驱式风力发电系统的仿真建模与运行特性研究

研究了基于永磁同步发电机的直驱式风力发电系统中PWM背靠背全功率变流器的运行特性,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.在Mat-lab/Simulink7.1环境下建立了系统从永磁同步发电机到电网的仿真模型,并利用S函数编写了发电机侧和电网侧变流器的控制程序,给出了系统的控制框图及仿真程序流程图.最后,在实验室搭建的17 kW直驱式风力发电实验平台上验证了系统的控制策略.仿真和实验结果都表明系统能够在不同风速下稳定运行,发电机侧输出电流近似正弦,谐波含量小;电网侧变流器在风速突变引起发电机输出功率变化的情况下能够稳定直流侧电压,输出有功和无功电流完全独立可调,并网电流质量较高.     

SPWM逆变器共模电压研究

SPWM逆变器在工作时产生共模电压,会诱发电机轴电压、引起轴电流,可能损坏电机轴承。文章结合高速永磁同步电机调制波频率较大的特点,对共模电压的频谱及影响因素进行了理论推导和仿真分析。结果表明:死区时间对共模电压幅值和谐波含量影响较大;死区时间一定,载波频率增大,共模电压幅值增大、谐波含量减小;管压降和上升沿、下降沿对其影响可忽略不计。上述结论对进一步深入研究永磁同步电机轴电流具有重要参考价值。     

共直流母线开绕组永磁同步电机系统零序电流抑制策略

由于变流器调制产生的共模电压和永磁电机反电动势三次谐波的存在,开绕组永磁同步电机两端共直流母线情况下会在电机绕组产生零序电流,影响了电机运行效率和稳定性。由此提出了共直流母线开绕组永磁同步电机系统零序电流抑制策略,通过建立开绕组永磁同步电机数学模型,分析了零序回路的工作特性,并通过对零序电流的闭环调节控制变流器产生共模电压以抵消反电动势三次谐波分量,达到抑制零序电流的目的;同时深入分析和对比了所提零序电流抑制策略和传统共模电压抑制策略的调制能力和最大调制度;最后,通过构建开绕组永磁同步电机实验机组,对所提零序电流抑制策略的可行性和有效性进行了实验验证。     

基于PWM控制下永磁同步发电机效率优化设计

永磁同步发电机(PMSG)通过全功率变流器与直流母线连接,因此传统的采用直接并网的同步发电机设计与分析模型不再适用于变速恒频系统中的永磁同步发电机。本文提出了一种变速恒频系统中永磁同步发电机的设计分析模型,该模型综合考虑了变流器电流矢量控制策略对发电机特性和性能的影响,能更准确地反映永磁同步发电机的实际运行状况。基于该模型,运用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)对4k W的永磁同步发电机进行了以效率最优为目标的优化设计。最后运用有限元方法和Matlab仿真分析,对4k W永磁同步发电机进行了空载有限元仿真和负载情况下的运行仿真和实验,通过仿真和实验的结果验证了本文所提出的设计优化设计方法的工程使用价值。     

永磁直驱风电变流器控制策略及仿真研究

根据矢量控制原理提出了机侧和网侧PWM变流器的控制策略,分析了永磁直驱风电系统双PWM变流器的电路结构及其工作原理,建立了永磁直驱风电系统中包括风力机、传动系统、永磁同步发电机、双PWM变流器等各部分的数学模型;在MATLAB/SIMULINK仿真环境中建立了永磁直驱风电系统的仿真模型并进行了动态仿真。仿真结果表明:采用双PWM变流器的永磁直驱风电系统具有优良的动、静态性能,可以良好的控制永磁同步发电机,最终输入电网的电压、电流波形接近正弦且谐波含量小。验证了系统仿真模型的正确性和所提出双PWM变流器控制策略的有效性。     

电流谐波对不同绕组形式永磁同步电机损耗研究

由PWM逆变器供电的永磁同步电动机定子电流中含有大量时间谐波,这些谐波作用于电机铁心和永磁体上产生损耗,不同绕组形式永磁同步电机受电流时间谐波的影响也不相同。建立集中绕组永磁同步电机和分布绕组永磁同步电机的有限元模型,将实测得到的PWM逆变器供电下电机的定子电流进行分解,得到各次电流谐波,并将电流谐波分别代入集中绕组电机和分布绕组电机进行仿真,研究谐波损耗对电机效率的影响,通过实验对比两种电机在电流谐波影响下的效率。     

无零矢量作用的逆变器结构仿真研究

文章在原有三相两电平的逆变器结构的直流母线上增加了两个开关管,使得共模电压在零矢量作用时得到了消减。同时在MATLAB/Simulink中搭建三相永磁同步电机（PMSM）矢量控制的仿真模型,基于此模型研究了无零序矢量脉宽控制（NZPWM）减少共模电压幅值的控制策略。通过不改变传统空间矢量脉宽调制（SVM）策略,构建了一种逆变器的拓扑结构使得零序矢量作用时无共模电压产生。结合理论与仿真分析,并与SVM比较,结果表明,NZPWM能够有效抑制共模电压幅值,但是线电压的谐波含量有所增加,定子电流、转矩、转速出现大的波动,改变逆变器拓扑的方式比NZPWM更好的抑制共模电压幅值,输出线电压的谐波含量也未增加且电机的电流、转矩、转速特性也未发生改变,研究表明这种结构能有效抑制共模电压且保持原有输出性能不变。     

双三电平中点钳位开绕组电机反电动势谐波电压下弱磁控制策略

主要针对双三电平中点钳位开绕组电机在反电动势谐波电压存在下机侧变流器弱磁控制策略展开研究。首先建立开绕组永磁同步电机的数学模型,通过PR调节器实现对电机反电动势谐波幅值和相位观测,使变流器调制波叠加同样幅值相位的零序分量进行零序电流抑制。进行反电动势谐波电压下的变流器弱磁控制分析,并对比不同调制策略对弱磁控制范围影响,得出在确定反电动势电压幅值和相位下,拓宽变流器弱磁控制区域的调制策略,有利于电机工作在更高转速。     

电网电压跌落对永磁同步电机风电系统的影响

为了研究电网电压跌落对永磁同步电机风电系统的影响,进行了实验室实验并构建永磁直驱风电系统的仿真模型,分别对永磁同步发电机和变流器进行控制,分析当电网电压跌落30%(2 s)、跌落50%(0.5s)以及跌落85%(0.2 s)三种情况时电机和变流器的运行情况。实验结果和MATLAB R2007a/SimuLink仿真结果表明,永磁同步发电机转速跟踪很好;发电机侧输出电流近似正弦;在电网电压跌落的同时还能对电网提供一定的无功支持,直驱式永磁同步电机风电系统具有较强的低电压穿越能力。     

低共模干扰的双三相永磁同步电机SVPWM控制

提出一种空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法以降低双三相永磁同步电机系统的共模干扰。首先分析了电机驱动系统中共模电压产生的原因,然后利用双三相永磁同步电机电压矢量冗余的特点,在每一扇区内选择低共模电压幅值和变化频率的电压矢量组合,从而降低系统的共模干扰。理论分析和实验结果表明,采用该双三相永磁同步电机低共模干扰SVPWM控制方法,共模电压的幅值降低为直流母线电压的1/6,一个周期内共模电压的变化次数降低为2次,从而降低了系统的共模电流,并且当电机运行于中高速情况下,定子电流谐波并没有明显的增加。     

大功率直驱风电系统高效率变流器设计

在兆瓦级直驱风电系统中,发电机定子电压等级通常采用较低的690V,而定子电流等级则很高,给全功率变流器的设计和制造造成了的困难,特别是效率问题比较突出。提出一种基于直驱多相永磁同步发电机和三电平混合式变流器的技术方案,用以替代传统的三相发电机和两电平变流器并联方案,具有更好的谐波性能和效率。讨论不同变流器拓扑在方案中的应用及其参数设计方法,并在谐波、效率和成本方面进行了比较。     

一种模型预测控制PMSM系统共模电压抑制策略

PWM共模电压干扰直接威胁逆变器驱动的电机系统安全和稳定性,针对模型预测控制的永磁同步电机系统提出了一种共模电压抑制策略,可分别采用电流扇区判定及开关函数直接控制两种方法,对死区开关管进行控制,通过改变电流续流路径,抑制共模电压幅值。建立系统的仿真模型,对抑制策略下的共模电压进行了仿真分析,并搭建了实验平台进行测量。仿真和实验数据表明,基于两种控制方法的抑制策略均可有效抑制系统共模电压,并减小单位时间内的开关次数及电流谐波含量,其中采用开关函数直接控制法的抑制效果更为显著,在不同转速下均能实现将CMV幅值抑制在U_dc/6,且开关次数与传统方法相比下降约5%。     

直驱永磁风力发电系统箝位式三电平变流器的控制和仿真

研究了基于永磁同步发电机的直驱式风力发电系统中PWM背靠背双三电平全功率变流器的运行特性,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。仿真结果表明系统能够在不同风速下发电机侧输出电流近似正弦谐波含量少,系统能够稳定运行;电网侧输出的有功和无功电流完全独立可调,直流侧电压稳定,并网电流质量较高。     

双馈异步化发电机运行在次同步和超同步状态时的稳态最优特性分析

对于通过控制转差功率的幅值和方向，并以变转速运行在次同步区和超同步区的绕线式异步化发电机进行了稳态分析。分析中所用的等效电路忽略了铁心损耗与谐波影响，并对列出的非线性代数方程进行了数值求解。确定了增大双馈异步化发电机总功率输出的最佳控制策略，并在采用两个自然换向变流器的实验机组上验证了理论结果。     

永磁风力发电机转子偏心故障分析

推导了永磁风力发电机转子偏心故障频率产生基理,利用基于磁路的方法,建立了永磁风力发电机模型,将其所建模型导入到有限元分析模块中进行仿真。提取永磁风力发电机定子电流,运用小波包变换对其进行分析,仿真分析结果表明:永磁风力发电机转子偏心故障将会在基频两侧产生故障特征频率信号,且两个特征频率信号随偏心度的增加变化规律有较大区别,而整数次谐波幅值没有较为明显的变化。     

变流器单边可控下开绕组永磁同步发电机的控制技术

为改善开绕组永磁同步发电机控制系统的复杂性,本文提出一种不控整流器与可控变流器集成的新型拓扑结构及其优化控制策略。通过建立开绕组永磁同步发电机数学模型,深入分析了变流器单边可控下开绕组永磁同步发电机系统的电压空间矢量分配机制。通过分析电流矢量对不控整流器交流侧电压矢量的影响,研究了两侧直流母线电压相同情况下的系统电压空间矢量调制范围,并根据最大线性调制度的要求确定了单位功率因数控制作为所研系统的最优控制策略。最后,通过搭建开绕组永磁同步发电机实验平台,验证了所提出控制策略的正确性和可行性。     

永磁同步风力发电机变流器控制策略与实验研究

介绍了一种基于MW级直驱永磁同步风力发电机的变流器的设计方案,并且采用模块并联以及多重化技术,降低各模块容量的同时,有效地减小了发电机和并网电流中的谐波含量,提高了系统的稳定性和电能质量.给出了实验结果,验证了控制算法的有效性.     

基于开绕组结构的永磁风力发电机控制策略

为了实现永磁风力发电机组大容量、高性能的运行需求,建立一种基于开绕组结构的永磁同步发电机和两个级联两电平变流器组成的风力发电系统。对该系统所采用的矢量控制、无位置传感器运行、空间矢量调制等技术进行了研究。通过建立开绕组永磁同步发电机的数学模型,得出基于转子磁场定向的矢量控制策略,进而结合基于反电势估算法的无位置传感器运行技术,研究了开绕组永磁同步发电机在两个机侧变流器下的目标矢量分配方法及对应的空间矢量调制策略。分析结果表明,所提出的开绕组永磁同步发电系统不仅降低了机侧变流器的容量,还起到了三电平的调制效果。实验结果验证了所提结构及控制策略的正确性和可行性。     

基于双3L-NPC开绕组电机反电动势谐波电压下中点平衡控制

主要对双中点嵌位式三电平(3L-NPC)开绕组电机在反电动势谐波电压存在下机侧变流器中点平衡控制展开研究。首先建立了开绕组永磁同步电机的数学模型,通过PR调节器实现对电机反电动势谐波幅值和相位观测,使变流器调制波叠加同样幅值相位的零序分量进行零序电流抑制。补偿零序电压注入后改变了原有变流器调制波的正负关系,通过讨论叠加补偿电压后两组变流器调制波的工作范围,实现了基于反电动势谐波下的共直流母线中点电位平衡控制。最后完成了不同调制度、功率因数和反电动势谐波电压下的中点电位控制能力分析,仿真和实验结果验证了理论的正确性。     

风电背靠背PWM变流器直流能量平衡新方法

针对基于背靠背PWM变流器的永磁同步发电机(PMSG)风力发电系统,从能量平衡角度出发,分析了引起直流侧能量波动的2个主要因素,即风机能量波动和电网电压波动,并基于小信号模型分析,利用功率平衡关系提出了网侧变流器的输出电流补偿控制策略。仿真和实验结果表明,所提出的电流控制策略不仅能在风机能量波动时保证直流侧电压稳定,还能在电网电压故障时最大限度地利用变流器的容量,协助风电机组实现穿越,同时降低直流电容容量要求。