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基于BOOST斩波的潮流电站电力变换系统研究

作　者: 田兵
导　师: 罗耀华
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制工程
关键词: 潮流发电 BOOST变流器最大功率跟踪均流技术限压变流控制
分类号: TM612
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

潮流能是一种非常有前景的可再生新能源之一，尤其进入能源短缺的二十一世纪，其发电利用技术一直是各国学者研究的热点。相比于成熟的风力发电技术，潮流能发电有着无可比拟的自然条件优势，中国潮流能蕴藏量极为丰富，但潮流能发电技术的发展却远远落后于发达国家，近年来国内各科研单位对潮流发电进行了大量有益的探索，但进入工程实用领域的却屈指可数。本课题以基于直流电网型变速运行潮流发电系统为研究背景，对50kW基于BOOST斩波的潮流电站电力变换系统进行了研究。由于潮流流速是变化的，在不同潮流流速下为使水轮机捕获的功率达到最大，通常需要通过发电机侧变流器对发电系统进行变速调节控制。而BOOST斩波电路具有良好的无级升压作用，它在新能源发电场合有着广泛地应用；尤其是三重化BOOST结构电路，由于较小的直流输入电流纹波，很适合做发电机侧变流器，对发电系统进行变速控制。本文提出了基于直流电网型变速运行潮流发电系统的总体结构设计框架，对潮流发电系统各部分组件的特性进行了详尽的分析，包括潮流流速、水轮机、永磁同步发电机及三重BOOST变流器，阐述了潮流发电系统变速运行控制的原理和能量转换的过程。进行了机侧变流器—BOOST电路参数计算，包括主电路电感电容，功率器件，开关管栅极驱动电阻以及关断缓冲电路等参数计算；对比了三种传统的最大功率跟踪的控制方法，提出了基于直流输入电流扰动的爬山搜索算法；根据变速运行潮流发电系统自身特点和电力变换系统在限压并网控制和变流变速控制之间需要切换的问题，提出了限压变流控制策略，针对系统实际问题，提出了电感电流均流技术和改进滑动平均滤波等改进算法。搭建了潮流发电系统的Matlab/Simulink软件仿真平台，对潮流发电系统整体性能和发电系统并联性能进行了仿真，仿真试验证明了本课题提出的基于BOOST斩波的潮流电站电力变换系统的可行性。搭建了潮流发电系统的硬件试验平台，对BOOST主电路进行了开环和电流闭环试验、最大功率跟踪试验和限压变流控制试验、多台BOOST电路并联试验以及潮流发电系统联合调试试验，硬件试验证明本课题电力变换系统的可靠性，并取得了良好的试验结果；同时积累了大量实用经验，为现场工程调试打下良好的基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 潮流发电系统发展现状  11-12
  1.3 潮流发电系统发电方案  12-13
  1.4 课题研究的主要内容  13-15
第2章潮流发电系统结构设计  15-35
  2.1 基于直流电网型变速运行潮流发电系统方案设计  15-18
    2.1.1 鼠笼式异步发电机变速运行发电系统  15
    2.1.2 永磁直驱式同步发电机变速运行发电系统  15-16
    2.1.3 变速运行潮流发电系统方案选择  16-18
  2.2 潮流流速模型  18-20
  2.3 水轮机模型  20-25
    2.3.1 水轮机类型  20-21
    2.3.2 潮流能贝兹理论  21-23
    2.3.3 水轮机数学模型  23-25
  2.4 永磁同步发电机模型  25-27
    2.4.1 永磁同步发电机数学模型  25-26
    2.4.2 永磁同步发电机运动模型  26-27
  2.5 BOOST 变流器模型  27-34
    2.5.1 BOOST 电路升压原理  27-28
    2.5.2 BOOST 电路的低频小信号模型  28-29
    2.5.3 三重 BOOST 斩波电路特性  29-32
    2.5.4 BOOST 变流器变速控制理论  32-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章 BOOST 变流器主电路及控制策略  35-66
  3.1 三重 BOOST 电路主电路参数设计  35-44
    3.1.1 电感电容参数的设计  35-39
    3.1.2 功率器件的设计  39-43
    3.1.3 关断缓冲电路 RCD 的设计  43-44
  3.2 变速运行发电系统功最大功率捕获控制方法  44-47
    3.2.1 叶尖速比控制法  45-46
    3.2.2 功率信号反馈  46
    3.2.3 爬山搜索法  46-47
  3.3 基于 BOOST 变流器直流输入电流扰动 MPPT 算法  47-54
    3.3.1 基于直流输入电流扰动的爬山搜索法原理  48
    3.3.2 直流输入电流扰动爬山法仿真验证  48-50
    3.3.3 BOOST 变流器输入电流控制模式  50-54
  3.4 电力变换系统总体控制策略  54-65
    3.4.1 电力变换系统的 MPPT 算法  55-56
    3.4.2 滑动平均滤波算法  56-58
    3.4.3 限压变流控制  58-62
    3.4.4 电感电流均流技术  62-65
  3.5 本章小结  65-66
第4章潮流发电系统建模与仿真  66-74
  4.1 潮流水轮机仿真模型  66-67
  4.2 水轮机驱动发电机仿真模型  67-68
  4.3 潮流发电系统最大功率跟踪仿真模型  68-71
  4.4 潮流发电系统限压变流控制仿真模型  71-72
  4.5 潮流发电机组并联仿真模型  72-73
  4.6 本章小结  73-74
第5章潮流电站电力变换系统硬件调试  74-85
  5.1 BOOST 变流器调试  74-83
    5.1.1 BOOST 变流器开环调试  76-78
    5.1.2 BOOST 变流器闭环调试  78-80
    5.1.3 BOOST 变流器最大功率跟踪调试  80-81
    5.1.4 BOOST 变流器并联调试  81-83
  5.2 潮流发电系统联合调试  83-84
  5.3 本章小结  84-85
结论  85-86
参考文献  86-92
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  92-93
致谢  93

基于BOOST斩波的潮流电站电力变换系统研究

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