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直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究

作　者: 陈瑶
导　师: 金新民
学　校: 北京交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 直驱型风力发电全功率变流器永磁同步发电机网侧谐波分析 LCL滤波器有中线运行控制并联环流控制交错并联升压斩波器纹波分析
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

直驱型风电机组因其具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点,成为了继双馈型风电机组之后风力发电技术领域的重要研究方向。然而,对于目前主流的兆瓦级直驱型风电机组而言,我国在变流机组及其核心控制技术方面仍依赖进口,极大制约了风电产业的进一步发展。因此,本文围绕直驱型风电机组全功率并网变流技术展开理论研究,对网侧变流器和电机侧变流器的设计方法与控制策略进行分析探讨,并通过仿真和实验验证了理论研究成果的正确性。首先,研究了网侧变流器的数学模型与控制策略。建立了三相电压型PWM整流器的数学模型和等效电路;对比分析了电压定向控制、直接功率控制、虚拟磁链定向控制和虚拟磁链-直接功率控制等四种控制策略的工作原理和优缺点。其次,研究了网侧谐波分析与抑制问题。在谐波分析方面,提出了一种通用型谐波分析算法,并基于此对四种常用PWM发生方式下的电压谐波分布及其随调制参数的变化规律进行了对比分析;在谐波抑制方面,提出了一种新颖的网侧LCL滤波器设计算法,阐述了各滤波元件的计算步骤以及配合取值原则。第三,研究了网侧变流器的有中线运行控制问题。建立了有中线拓扑数学模型和等效电路;研究了零序电流控制和直流电压平衡控制策略;提出并证明了有中线系统即三维矢量空间中SPWM和SVPWM算法的本质一致性,并基于此对有中线变流器的网侧谐波抑制能力和直流电压利用率问题进行了综合分析。第四,研究了网侧变流器的并联运行控制问题。对比分析了直接并联和交错并联的工作原理和谐波抑制效果;阐述了交错并联情况下高频环流和低频振荡环流的产生机理;并对基于二维SVPWM、三维SPWM以及改进型SVPWM的交错并联控制策略进行了对比分析。第五,研究了基于被动整流拓扑的电机侧变流器控制问题。研究了升压斩波器基于电压前馈的电流跟踪控制策略;给出了基于最大功率跟踪原理的斩波器输入电流指令解析表达式;提出了N重交错并联升压斩波器总电流纹波统一算法,并基于此推导得出了N重交错并联时输入滤波电感的统一计算公式。第六,研究了基于主动整流拓扑的电机侧变流器控制问题。建立了永磁同步电机的数学模型和等效电路,对比分析了零d轴电流、恒定气隙磁链和最大效率三种控制目标下,永磁同步电机矢量控制策略的工作原理及优缺点。作为对理论分析结果的仿真验证,本文搭建了基于被动整流拓扑的1.5MW直驱型风电机组仿真模型,对包括最大功率跟踪控制、交错并联升压斩波器的纹波分析算法以及恒速运行控制在内的系统整体设计和控制方案进行了验证;搭建了基于主动整流拓扑的1.5MW直驱型风电机组仿真模型,对机组变速运行和恒速运行阶段,全功率变流器控制策略的稳态和动态性能进行了验证。作为对理论分析结果的实验验证,本文通过15kW网侧变流器实验样机,验证了所提出的通用型谐波分析算法和网侧LCL滤波器设计算法的正确性;通过兆瓦级能量互馈型风力发电变流器实验平台,考核了网侧变流器和电机侧变流器控制策略的稳态和动态性能,并对包括网侧变流器零序电流控制、交错并联网侧谐波抑制、并联环流控制策略、斩波器纹波分析算法和基于电压前馈的电流跟踪控制策略等方面在内的理论研究成果进行了验证。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
1 引言  14-27
  1.1 论文的研究背景和选题意义  14-20
    1.1.1 国内外风电产业发展概况  14-15
    1.1.2 风力发电并网变流机组的发展现状  15-19
    1.1.3 论文的选题意义  19-20
  1.2 直驱型风电机组全功率并网变流技术的国内外研究现状  20-25
    1.2.1 全功率变流器拓扑结构  20-22
    1.2.2 网侧变流器研究现状  22-24
    1.2.3 电机侧变流器研究现状  24-25
  1.3 本文的主要研究内容和成果  25-27
2 网侧变流器的数学模型与控制策略  27-43
  2.1 坐标变换与数学模型  27-31
    2.1.1 基本工作原理  27-28
    2.1.2 静止坐标系数学模型  28-30
    2.1.3 同步旋转坐标系数学模型  30-31
  2.2 控制策略基本原理分析  31-42
    2.2.1 电压定向控制  32-36
    2.2.2 直接功率控制  36-38
    2.2.3 基于虚拟磁链的控制策略  38-41
    2.2.4 控制策略对比  41-42
  2.3 小结  42-43
3 网侧谐波分析与抑制  43-68
  3.1 通用型谐波分析算法  43-54
    3.1.1 每相对电容中点电压谐波计算  44-49
    3.1.2 相电压谐波分析计算  49-51
    3.1.3 常用PWM发生方式下的谐波分布对比  51-54
  3.2 网侧LCL滤波器设计算法  54-61
    3.2.1 变流器侧电感设计  55-56
    3.2.2 滤波电容设计  56-58
    3.2.3 网侧电感设计  58-59
    3.2.4 LCL滤波元件的配合取值原则  59-61
  3.3 基于15kW网侧变流器的实验结果分析  61-66
    3.3.1 谐波分析算法验证  62-63
    3.3.2 LCL滤波器设计算法验证  63-66
  3.4 小结  66-68
4 网侧变流器有中线运行和并联运行  68-89
  4.1 有中线运行控制  68-79
    4.1.1 有中线拓扑数学模型  69-70
    4.1.2 零序电流及直流电压平衡控制  70-75
    4.1.3 三维矢量空间中SPWM与SVPWM的一致性  75-77
    4.1.4 有中线变流器网侧谐波分析  77-79
    4.1.5 有中线变流器电压利用率分析  79
  4.2 并联运行控制  79-87
    4.2.1 直接并联与交错并联的网侧谐波对比分析  81
    4.2.2 交错并联系统环流问题分析  81-84
    4.2.3 基于改进型SVPWM的交错并联控制策略  84-85
    4.2.4 交错并联系统控制策略对比仿真  85-87
  4.3 小结  87-89
5 基于被动整流拓扑的电机侧变流器控制技术研究  89-108
  5.1 升压斩波器控制策略  90-95
    5.1.1 基于电压前馈的电流跟踪控制策略  90-92
    5.1.2 升压斩波器输入电流指令计算  92-95
  5.2 升压斩波器交错并联运行  95-100
    5.2.1 N重交错并联总电流纹波统一算法  96-98
    5.2.2 交错并联对总电流纹波的改善作用  98-99
    5.2.3 总电流纹波的变化规律  99-100
    5.2.4 输入侧滤波电感的统一设计公式  100
  5.3 基于被动整流拓扑的直驱型风力发电变流系统仿真  100-106
  5.4 小结  106-108
6 基于主动整流拓扑的电机侧变流器控制技术研究  108-119
  6.1 永磁同步电机数学模型  108-110
  6.2 不同控制目标下的PMSG矢量控制对比分析  110-115
    6.2.1 零d轴电流控制  110-112
    6.2.2 恒定气隙磁链控制  112-113
    6.2.3 最大效率控制  113-114
    6.2.4 控制策略对比  114-115
  6.3 基于主动整流拓扑的直驱型风力发电变流系统仿真  115-118
  6.4 小结  118-119
7 基于兆瓦级全功率变流器的实验结果分析  119-138
  7.1 实验平台构成  119-120
  7.2 网侧变流器实验  120-131
    7.2.1 背靠背实验  120-124
    7.2.2 并联环流控制对比实验  124-128
    7.2.3 并联并网实验  128-131
  7.3 电机侧变流器实验  131-136
    7.3.1 三重交错并联实验  131-133
    7.3.2 稳态和动态性能实验  133-136
  7.4 小结  136-138
8 结论与展望  138-140
  8.1 全文结论  138-139
  8.2 未来研究工作展望  139-140
参考文献  140-148
附录A: 15kW网侧变流器实验样机实物图  148-149
附录B: 兆瓦级能量互馈型风力发电变流器实验平台实物图  149-150
作者简历  150-152
学位论文数据集  152

直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究

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