低风速磁悬浮垂直轴永磁同步风电机组机侧变流器拓扑与控制研究

作     者：杜昱成 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡彬

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：低风速风电 永磁同步发电机 磁悬浮垂直轴风电机组 机侧变流器 Vienna整流器 深度强化学习 孪生延迟深度确定性策略梯度算法 

摘      要：低风速风电是我国风电发展的重要领域之一。但风向频变、风能密度低、湍流强等低风速特性对风电机组控制系统提出苛刻要求。为此,本课题组提出一种磁悬浮垂直轴永磁同步风电机组,它无需偏航对风与解缆,彻底消除风向频变影响,同时磁悬浮系统又可减少机械摩擦,大大降低启动阻力矩,尤其适用于低风速区域。为实现低风速高效发电,本文以机组定子电流谐波最小化、发电效率最大化为根本控制任务,探寻最优机侧变流器(MSC)拓扑以抑制定子电流谐波、改善电能质量,引入深度强化学习算法(DRL),通过改进传统矢量控制系统以减少双闭环跟踪误差,进一步降低定子电流谐波、功率损耗,提高机组运行性能。主要研究内容如下: 第一,研究传统MSC拓扑结构与矢量控制策略在低风速发电中的性能表现。对磁悬浮垂直轴风电机组进行建模,其中以永磁同步发电机(PMSG)与两电平电压源型PWM变流器(VSC)为主。阐述双闭环矢量控制策略的核心原理,应用PID控制器为内、外环控制器。针对风速稳定与时变情形,进行多组基于VSC的PMSG仿真与实验。结果表明,定子电流的总谐波畸变率(THD)在额定风速下为5.73%,且随风速减小而增大;额定风速下发电效率为89.03%。因此,有必要研究并应用三电平变换器以期进一步改善电能质量。 第二,鉴于Vienna整流器具有单位功率因数运行、谐波含量小、电压应力低等优势,采用Vienna整流器作为机侧变流器。分析Vienna整流器工作原理;研究基于零序分量注入的载波脉宽调制技术,以简化三电平调制过程;研究基于冗余小矢量的时间调节方法,以平衡电容电压、减少中点电压波动。搭建基于Vienna整流器的PMSG实验平台,并进行静态、动态仿真与实验。结果表明,额定风速下定子电流的THD、发电效率分别为2.92%、91.46%,比采用VSC作为机侧变流器分别小2.83%、高2.43%。这说明采用Vienna整流器可有效降低定子电流谐波含量。但同时发现,时变风速下电流内环跟踪误差较大,且明显受风速及变化率影响。因此,需使用先进控制器来以改善运行性能。 第三,提出基于深度强化学习(DRL)的PMSG矢量控制方案,以实现不同风速及其变化情形下电流跟踪误差、功率损耗最小化。分析影响电流内环跟踪误差、功率损耗的因素,进而设计状态集、奖励函数与动作集;为提高PMSG对不同风速情形的应变力度,设计兼具随机性与多样性的训练环境;在保证训练成绩的前提下,为节省离线训练时间,设计随训练回合次数而变的动作探索噪声。进行基于孪生延迟深度确定性策略梯度算法的智能体离线训练,并分析训练成绩曲线。进行风速稳定、时变、突变情况下的仿真与实验。结果表明,所提方案不仅可有效解决Vienna整流器固有的中点电压波动问题,而且可使定子电流THD在额定风速下降至0.18%,发电效率近94%;时变风速情形下转速与电流跟踪误差较小,且不随风速变化而变。这表明引进DRL控制器可大大改善运行性能,进一步抑制谐波、减小损耗。