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风力发电是世界增长最快的新能源,近年来装机容量持续快速增长,并呈现大型化、规模化趋势。随着风电在电力系统中的比重日益加大,大型风电基地的安全稳定运行、并网消纳、远距离输送引起了风电行业的高度重视,因此风力发电系统的低电压穿越(LVRT)技术以及轻型直流输电(VSC-HVDC)输电技术已成为风电技术研究的热点。本文在对双馈异步发电机组(DFIG)、永磁同步发电机组(PMSG)两种主流变速恒频风力发电系统及其LVRT特性进行对比分析后,选择PMSG风力发电系统为研究对象,重点对PMSG风力发电系统经交流及直流并网的LVRT技术展开研究。主要研究内容包括以下几点:(1)建立风力机的精确数学模型,并采用直流电动机直接转矩控制仿真模拟风力机特性;建立PMSG及机组并网变流器的模型,设计电网侧和电机侧变流器的控制电路,实现功率解耦控制、最大风能跟踪控制等功能并进行仿真分析;将直流电动机与PMSG机组构成风力发电系统,搭建直流电动机控制系统和PMSG控制系统组成实验系统,设计微机控制软件并进行实验验证。(2)剖析PMSG风力发电系统在电网电压跌落期间的暂态特性,指出其在交流并网时存在的问题,对PMSG风力发电系统目前采用的典型LVRT技术方案进行比较并指出其不足;提出基于分层控制的PMSG风力发电系统LVRT技术,研究分层控制策略并设计算法流程;对LVRT分层控制算法进行详细的仿真分析,并通过实验系统验证其可行性。(3)提出一种并网侧附加变流器的PMSG风力发电系统新型拓扑结构,并提出风电并网逆变和APF统一控制的理论;建立副变流器的数学模型,设计其稳态时作为APF运行的控制算法;分析新型拓扑结构的PMSG风力发电系统在电网电压跌落期间的暂态特性,提出LVRT期间主、副变流器无功支持的原理,结合发电机功率控制、直流卸荷电路提出LVRT分层控制策略;对其稳态APF控制算法及暂态LVRT分层控制算法进行详细的仿真分析,并在实验系统上进行验证。(4)分析PMSG风力发电系统采用VSC-HVDC直流并网输电的优点;建立VSC-HVDC变流器在三相静止及同步旋转坐标系下的模型,同时建立直流线路的数学模型,构成VSC-HVDC系统的全状态模型;分析VSC-HVDC变流站的控制方式及其选择原则,并设计相应的控制器;提出VSC-HVDC联接PMSG风电场的直流风力发电系统结构,探讨稳态运行状态下VSC-HVDC和风电机组各变流器的控制策略。(5)分析通过VSC-HVDC并网的PMSG风力发电系统的暂态特性;提出基于电压控制的VSC-HVDC并网PMSG风力发电系统LVRT控制策略,设计风电场侧VSC-HVDC变流站的交流电压控制算法,并提出相应的PMSG风电机组LVRT分层控制,共同构成基于电压控制的LVRT协调控制策略。(6)提出基于频率控制的VSC-HVDC系统LVRT控制策略,设计风电场侧VSC-HVDC变流站的频率控制算法。提出采用VSC-HVDC直流线路电压作为电网故障的判据,有效地消除了通讯延迟;提出通过VSC-HVDC并网的PMSG风力发电系统相应的风电机组LVRT分层控制策略,并与VSC-HVDC的频率控制算法共同构建基于频率控制的LVRT协调控制策略。