风力发电中的九开关变换器和储能技术

前言
第1章绪论 1
1.1 国内外主流风电改善运行特性与功率调节研究状况 2
1.1.1 国外DFIG式风电改善运行特性与功率调节研究状况 2
1.1.2 国外PMSG式风电改善运行特性与功率调节研究状况 5
1.1.3 国内DFIG式风电改善运行特性与功率调节研究状况 7
1.1.4 国内PMSG式风电改善运行特性与功率调节研究状况 9
1.2 九开关变换器技术的发展状况 10
1.3 储能技术在风力发电中的应用 11
1.3.1 锂离子电池储能 12
1.3.2 液流电池储能 13
1.3.3 超级电容储能 15
第2章主流风力发电机数学模型 17
2.1 双馈电机的数学模型 17
2.1.1 双馈电机在两相同步旋转坐标系下按电动机惯例的数学模型 19
2.1.2 双馈电机在两相同步旋转坐标系下按发电机惯例的数学模型 21
2.1.3 双馈电机的标幺值方程 22
2.2 永磁同步电机的基本方程 25
2.2.1 永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下按电动机惯例的数学模型 26
2.2.2 永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下按发电机惯例的数学模型 29
2.2.3 永磁同步电机的标幺值方程 30
第3章面向风电系统的NSC原理与控制 38
3.1 九开关变换器电路拓扑和驱动逻辑 38
3.2 九开关变换器的数学模型 41
3.3 九开关变换器的控制策略 42
3.4 九开关变换器的动态调制策略 44
3.5 三次谐波注入法调制原理与仿真分析 46
3.5.1 三次谐波注入法调制原理 46
3.5.2 三次谐波注入法仿真分析 47
3.6 SVPWM原理与仿真分析 50
3.6.1 SVPWM原理 50
3.6.2 SVPWM仿真分析 51
第4章网侧NSC提升DFIG运行与控制能力 53
4.1 传统双馈风电系统稳态控制 53
4.1.1 网侧变换器矢量控制 53
4.1.2 转子侧变换器矢量控制 58
4.2 网侧九开关变换器控制目标与方案 62
4.2.1 网侧九开关变换器电压补偿侧控制策略 63
4.2.2 网侧九开关变换器并网侧控制策略 64
4.2.3 网侧九开关变换器控制策略 65
4.2.4 网侧九开关变换器直流母线电压的分配 65
4.2.5 网侧九开关变换器调制方式的选取 68
4.3 DFIG风电系统正常/故障运行特性仿真分析 68
4.4 多种故障工况下故障穿越仿真分析 70
4.4.1 电压对称、不对称跌落30%工况下低电压穿越仿真结果 71
4.4.2 电压对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果 71
4.4.3 电压不对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果 71
4.4.4 电压对称升高30%工况下高电压穿越仿真结果 76
第5章 NSC实现UPQC功能提升DFIG运行与控制能力 79
5.1 九开关型UPQC与DFIG一体化拓扑结构 79
5.2 九开关型UPQC建模与控制 80
5.2.1 UPQC电压补偿侧建模与控制 82
5.2.2 UPQC电流补偿侧建模与控制 84
5.3 工作模式设计 86
5.4 动态调制比限幅设计 88
5.5 多种电压工况下仿真验证 90
5.5.1 NSC补偿电压、电流含有谐波工况 91
5.5.2 NSC补偿轻度电压故障工况仿真分析 94
5.5.3 NSC补偿重度电压跌落工况仿真分析 96
第6章网侧NSC提升PMSG运行与控制能力 99
6.1 传统永磁同步直驱风电系统稳态控制 99
6.1.1 网侧变换器矢量控制 100
6.1.2 机侧变换器矢量控制 100
6.2 网侧NSC控制方法 101
6.3 网侧NSC直流母线电压分配与控制方法 103
6.4 PMSG风电系统正常/故障运行特性仿真分析 104
6.4.1 PMSG风电系统正常运行特性仿真分析 104
6.4.2 PMSG风电系统故障运行特性仿真分析 106
6.5 多种故障工况下故障穿越仿真分析 108
6.5.1 电压对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果 108
6.5.2 电压畸变且不对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果 110
6.5.3 电压对称升高30%工况下高电压穿越仿真结果 112
第7章 NSC取代PMSG全功率变流器研究 115
7.1 永磁同步风电系统的稳态控制 115
7.1.1 机侧变换器数学模型 115
7.1.2 机侧变换器控制策略 117
7.1.3 网侧变换器数学模型 119
7.1.4 网侧变换器控制策略 121
7.2 九开关型永磁同步风电系统电路拓扑 122
7.3 九开关型永磁同步风电系统控制策略 123
7.4 不同运行工况仿真分析 123
第8章 NSC实现UPQC功能提升PMSG运行与控制能力 128
8.1 NSC与PMSG一体化拓扑结构 128
8.2 无附加措施下永磁同步直驱式风电系统的运行特性 128
8.3 采用直流卸荷电路时永磁同步直驱式风电系统故障穿越运行特性 131
8.4 九开关型UPQC治理永磁同步直驱式风电系统电能质量仿真验证 133
8.4.1 治理直驱风机侧严重电流谐波问题 133
8.4.2 综合治理永磁同步直驱式风电系统多种电能质量问题 135
8.4.3 提升直驱风电系统故障穿越运行能力研究 137
第9章 NSC改善混合分散式风电运行与控制 144
9.1 九开关型UPQC与双馈-直驱混合风电一体化系统 144
9.2 九开关型UPQC控制策略设计及优化 144
9.2.1 九开关型UPQC整体控制策略 144
9.2.2 九开关型UPQC调制优化 146
9.2.3 九开关型UPQC动态调制比分配 148
9.3 多种故障工况下双馈-直驱混合风电一体化系统的运行特性 149
9.4 九开关型UPQC改善双馈-直驱混合风电电能质量仿真 152
9.4.1 综合治理电压、电流谐波工况仿真 152
9.4.2 电压轻度对称跌落、骤升工况仿真 154
9.4.3 电压严重不对称跌落工况仿真 156
9.4.4 电压严重对称跌落工况仿真 158
第10章九开关变换器物理试验与硬件在环测试 161
10.1 试验场景设计 161
10.2 电路设计 163
10.2.1 整体电路设计 163
10.2.2 驱动电路设计 165
10.3 控制逻辑设计 167
10.4 小功率试验运行波形 169
10.5 硬件在环平台在线运行场景设计 172
10.6 硬件在环平台在线运行波形 173
10.6.1 谐波电压工况运行验证 173
10.6.2 严重不对称电压跌落工况运行验证 175
10.6.3 严重对称电压跌落工况运行验证 177
第11章大型风储联合运行提升风电消纳能力 180
11.1 风储一体化联合运行系统分析 180
11.1.1 百兆瓦级风储一体化联合运行系统 180
11.1.2 缓解风电功率波动的数学模型 180
11.2 马尔可夫预测和粒子群优化算法 183
11.2.1 马尔可夫预测模型的建立 183
11.2.2 粒子群优化算法用于风储混合系统的优化过程 185
11.3 不同场景模拟仿真分析 187
11.3.1 春季典型日场景模拟仿真 188
11.3.2 秋季典型日场景模拟仿真 194
第12章分散式风氢耦合与区域共享储能系统 199
12.1 风氢耦合系统的区域共享结构 199
12.2 上层区域共享储能优化配置模型 200
12.2.1 上层模型目标函数 201
12.2.2 上层模型约束条件 202
12.3 下层风氢耦合系统优化运行模型 203
12.3.1 设备模型 203
12.3.2 下层模型目标函数 204
12.3.3 下层模型约束条件 205
12.4 模型转换过程 206
12.4.1 下层模型拉格朗日函数 206
12.4.2 KKT条件转换 207
12.4.3 模型线性化与求解 208
12.5 仿真结果分析 209
12.5.1 上层区域共享储能容量优化配置结果 211
12.5.2 下层风氢耦合系统优化运行结果 212
参考文献 217