具有无功馈送绕组的多相直驱永磁同步发电机HVDC风电系统研究

CAmong the various wind power conversion solutions for 10MW large offshore wind turbine, the multiphase permanent magnet synchronous generator (MPPMSG) with series-connected undirectional conveters offers high efficiency and good reliability. This project proposes an improved HVDC wind power conversion system based on a kind of new MPPMSG with isolated reactive power fed windings. The new system not only keeps the merits of the undirectional converter with simple and robust topology, but also overcomes the shortcoming that is only unity power factor variable-speed control strategy can be applied for it. The new system can control the magnetic field of MPPMSG, as a result, the efficiency and speed-control capability of MPPMSG are impoved. Simultaneously, when HVDC transmission is shorted to ground, the new system can protect the converters from damage by supressing the short-circuit peak current. In addtion, this project also proposes a new hybrid multilevel inverter based on the diode neutral-point-clamped five-level inverter series-connected with low voltage H bridge converter for onshore power station. The switching frequency of the hybrid multilevel inverter will be increased by high frequency operational capability of H bridge converter. As a result, hamonics and control capability of the hybrid multilevel converter are improved greatly. High voltage DC-AC conversion can be implemented by series-connection of hybrid multilevel converters by means of multiphase transformer.

在10MW超大功率近海风电机组的现有技术方案中，采用直驱多相永磁同步发电机（MPPMSG）和串联单向变流器组构成的高压直流（HVDC）变换方案具有高效率和显著的可靠性。本项目在已有的研究基础上提出了具有独立无功馈送绕组的MPPMSG及对应HVDC风电变换方案，这种新方案保留了单向变流器拓扑简单和可靠性高的优点，同时解决了其只能采用单位功率因数变速控制的缺点，可以实现对发电机励磁的控制，从而进一步提高发电机的效率和变速控制性能；同时新的技术方案还能在HVDC母线短路时，对短路电流峰值进行抑制，从而实现对变流器的保护。另外，本项目还提出了一种应用于岸上HVDC变电站的新型混合式多电平逆变器方案，其原理是把二极管中点钳位五电平逆变器与低压H桥变流器级联，利用H桥的高频工作能力来提高整个逆变器的开关频率，从而改善逆变器的谐波和动态性能。这种新型逆变器可借助多相变压器串联实现对HVDC的高压逆变。

发展超大功率风机是当前行业趋势，永磁直驱系统因其高效率和可靠性，成为超大功率风电系统中的研究热点。目前有很多永磁同步发电机与全功率变流器技术组合的方案。这些方案采用低压电机的形式，因电流大，往往效率较低，且存在互连问题，因此研究更高电压等级的风电机组成为当前热点。.本项目基于已有研究基础并借鉴国内外研究成果提出了具有独立无功馈送绕组的多相永磁同步发电机HVDC风电机组方案。并从以下几个方面开展了研究：. 首先，研究了多相永磁同步发电机的优化设计问题。利用场路结合的方法完成了一台5MW/20kV等级的发电机的理论设计。并提出了一种利用不对称负载提取电机参数的新方法，该方法在一个3kW电机的实验中得到了验证。. 其次，推导出了多功率绕组和单控制绕组的永磁同步电机的数学模型，并给出了在无功馈送条件下发电机控制策略及稳态方程。基于这些方程，提出了一种反馈线性化解耦控制策略，并搭建了整个控制系统的Simulink仿真模型，对解耦和控制策略的正确性进行了仿真验证。. 第三，采用理论的方法对电机短路时的暂态进行了仿真研究。同时利用Simulink与PSCAD对电机数学模型进行了仿真计算。计算结果表明有限元软件与电机数学模型趋势一致，但具体幅值有较大差异，具体结论有待进一步研究。. 第四，提出了发电机侧采用单向5L Vienna整流器及逆变侧采用通过飞跨电容辅助桥臂实现中点平衡的5L-NPC的拓扑，，并实验验证了其动态稳态性能。对具有飞跨电容辅助桥臂的5L-NPC逆变器的中点控制进行研究，解决了5L变流器固有的中点失衡问题。此外，为改善逆变器的谐波和动态性能，提出了一种应用于HVDC变电站的改进的基于双级联H桥的混合式变流器方案，并对这种方案进行实验验证。. 最后，研究具有无功馈送的多相永磁同步风力发电系统低电压穿越控制方案。建立了风力发电全系统的开关电路模型，并通过仿真验证了全系统控制策略的有效性。提出了低电压穿越的控制策略并利用PSCAD全系统仿真模型对低电压穿越控制策略的效果进行了验证。