分布式永磁风力发电系统非线性负载无功补偿与谐波抑制

The reacitve power compensation and harmonic suppression of distributed cut-in permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind energy conversion system (WECS) are discussed in this project, as the converter topology,control mehtods and installing position of the WECS are similar with that of active power filters. The transient processes of active power output, reactive power compensation and hamonic suppression are analized according to the dynamic discrete models of the PMSG WECS and nonlinear loads. Based on the analysis, the active and reactive power control without static error is implemented by using the interal model control strategy, and the main hamonic suppression is realized by using multi proportional-resonant (PR) control strategy. The parameters of PR controllers are optimized by taking advantage of predictive control principles for solving the problem of hamonic suppression deterioration which is the result of the nonlinear load changing. The hamonic current detection, converter modulation and control algorithm are improved for digital implementation of the system. The proposed method is a new idea for developing the reactive power compensation and harmonic suppression technology of distributed cut-in PMSG WECS.

针对分布式并网型永磁风力发电系统变流器拓扑结构、控制方式以及安装位置与有源电力滤波器相似的特点，开展此类系统的负载无功补偿与谐波抑制的相关研究。通过建立永磁风力发电系统及非线性负载的动态离散化模型，分析系统有功功率稳定输出、无功功率实时补偿以及谐波电流同步抑制的暂态过程，进而基于内模控制策略实现有功和无功功率的无静差控制、基于多PR控制策略实现对主要谐波成分的针对性抑制，同时引入预测控制策略实现对各PR控制器参数的在线优化，以解决负载主要谐波频次突变造成的谐波抑制性能降低的问题。此外，通过改进谐波检测电流的方法、变换器的调制算法以及控制算法，提高算法运算效率，便于系统的数字实现。基于以上研究内容及成果，为分布式并网型永磁风力发电系统的非线性负载无功补偿与谐波抑制技术的进一步完善提供新的思路。

项目围绕分布式永磁风力发电系统无功功率补偿和谐波抑制问题，首先在简化PI控制器参数整定方面，提出了针对网侧变换器的内模PI控制策略。通过合理简化控制器结构，使得内模控制器等效于PI控制器，同时在控制结构引入反馈阻尼以保证系统的快速响应和稳定性。通过仿真分析，并与传统方法进行了对比，进而验证了该方法的有效性。在网侧变换器谐波抑制方面，分析了直流母线、网侧变换器及其输出滤波器、电网在静止坐标系下和同步旋转坐标系下的数学模型，并在此基础上构建了电网电压定向的矢量控制策略，在电流内环控制中，用多个PR控制器替代传统的PI控制器，构建了基于PR控制器的永磁风力发电系统网侧变换器仿真模型，对5、7次等主要频次谐波抑制进行了仿真分析，同时构建了网侧变换器实验系统，对基于PR控制策略的谐波抑制方法进行了实验验证，结果表明在永磁风力发电系统网侧变换器控制中结合PR控制策略对非线性负载谐波电流进行抑制具有可行性和有效性。为提高网侧变换器的控制性能，在网侧变换器预测控制方面，剖析了模型存在误差时MPC算法的运行过程及误差产生机理，分析了模型中输出滤波器的电阻和电感对MPC控制效果的影响，提出了一种基于观测器的鲁棒模型预测控制策略，用以补偿控制算法中的模型误差，从而提高了系统抗参数扰动能力；针对滤波器造成较大延迟情况下的MPC控制问题，在原有的两步法的基础上，提出了改进的延迟补偿方法，可有效消除滤波器延迟问题对系统造成的影响，提高系统的控制品质。