基于矩阵变换器的双馈风力发电系统的无功优化方案研究

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双级矩阵变换器(IMC)拥有正弦输入输出电流,没有中间大电容等优点,适合应用于风力双馈的发电系统(DFIG)。而以往研究通常只是将IMC简单的应用到风力双馈的发电系统当中,较少探讨矩阵变换器本身特点对风力双馈的发电系统的影响。对于基于IMC的DFIG系统而言,系统发出的总无功等于IMC的输入无功和定子无功之和。IMC由于输入侧和输出侧直接耦合,输入无功受输出侧影响,而输出侧与双馈电机的转子绕组相连,因此也与风电系统的运行状态有关。本文将对扩大基于IMC的DFIG系统的无功控制范围进行研究,充分挖掘双馈风力发电系统的无功调节能力,达到支撑电网电压,提高电能质量的目的。首先,分析了DFIG系统的最大风能捕捉原理,工作原理和不同工况下的功率关系,并推导出了在以定子同步转速旋转的两相坐标系下的数学模型。然后基于此模型,采用定子电压定向的矢量控制方法,建立以转子电角速度和定子无功功率为外环,定子电流为内环的双闭环控制系统。接着,通过研究传统空间矢量调制方法(SVPWM)下的风力双馈的发电系统的无功特性,发现矩阵变换器的输入无功极限因为输入功率因数角的范围而受限,限制了整个系统的总无功功率输出能力。针对上述问题,论文通过分析IMC输入无功与定子侧无功间的约束关系,提出最大化系统总无功优化问题。其次,对IMC采用了基于空间矢量合并的二矢量、三矢量调制策略,这两种方法可进一步合理规划占空比,减少冗余开关状态,有利于扩大IMC输入无功功率范围。然后,在不同的功率给定条件下,通过数值优化方法对定子无功与IMC输入无功进行最优分配,进而扩展风力双馈的发电系统的无功控制范围。最后通过matlab/simulink仿真验证上述方案的正确性。
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