中功率风电变流器的效率优化设计研究

【摘要】：为了应对日益逼近的能源紧缺与环境污染,人们的目光逐渐投向了清洁、可再生的新能源。其中,风电作为新能源的代表之一,也得到了越来越多的关注与发展。目前,广泛采用的大功率风电机组适用于海上及陆上风能较丰富的地区。然而在风况等级较低的地区,如我国东部及中部内陆地区,采用大功率风电机组,由于机组的出力波动性,对电网冲击较大；而小功率机组运行效率又较低,不具备经济性。因此,应用于智能微网的高效率中功率风电机组成了研究的目标。 风能转换效率是风电机组设计追求的重要目标。风电机组主要由风轮、发电机、变流器和控制装置组成,其中变流器是电能装换单元,其工作效率对整机效率有直接的影响。为了提高变流器的工作效率,本文从拓扑结构选择、调制方法设计以及主电路参数设计等方面进行优化。本文的研究目标是完成中功率风电变流器的设计及效率优化研究。其中,主要的研究内容与创新点如下： 首先,分析了目前用于风电变流器的常见拓扑结构。在结合本文中应用场合后,对各种拓扑结构(尤其是两电平与三电平拓扑)的优缺点进行了对比分析,并以系统效率优化为主要参考条件,选择了背靠背NPC三电平拓扑。 其次,分析了NPC三电平拓扑变流器的工作原理,并研究了其空间矢量调制方法的实现。设定优化的矢量发送序列,减小器件开关损耗。还研究了中点电位波动问题与控制方法。 然后,在abc静止三相及dq旋转两相的坐标系下,分别建立了系统的数学模型,设计了网侧、机侧闭环控制系统及软件锁相环,并通过MATLAB仿真进行了验证。 接着,详细分析了主电路各主要器件(功率器件、LCL滤波器、母线电容等)的工作原理与设计方法,并对功率器件与LCL滤波器的损耗进行研究,提出了一套以效率优化为目标的主电路参数配制方法。 另外,分析了NPC三电平变流器的驱动与保护要求,配置了以2SC0435T为核心的驱动电路。 最后,介绍了50kW三电平变流器实验平台搭建与基于DSPFPGA的分布式控制系统设计。利用该变流器平台进行实验,验证了本文系统设计与效率优化研究的正确性。 【关键词】：效率优化 NPC三电平 中功率风电变流器 DSP&FPGA
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 变流器拓扑结构分析13-17
• 1.2.2 效率优化的中功率风电变流器拓扑选择17
• 1.2.3 变流器调制方法介绍17-18
• 1.3 本文研究内容18-19
• 第二章 变流器调制方法及中点电位平衡研究19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 NPC三电平原理分析19-21
• 2.2.1 NPC三电平变流器拓扑分析19-20
• 2.2.2 NPC三电平变流器开关模型20-21
• 2.3 三电平电压空间矢量21-23
• 2.4 三电平SVPWM调制实现23-26
• 2.4.1 扇区判断及合成矢量选择24-25
• 2.4.2 矢量作用时间判断25-26
• 2.4.3 矢量输出序列选择26
• 2.5 中点电位平衡研究26-29
• 2.5.1 中点电位不平衡原因27-28
• 2.5.2 中点电位平衡方法28-29
• 2.6 调制方法及中点平衡算法验证29-30
• 2.7 本章小结30-31
• 第三章 变流器建模与控制研究31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 变流器的数学建模31-36
• 3.2.1 abc三相静止坐标系下动态模型的建立32-34
• 3.2.2 dq两相旋转坐标系下动态模型的建立34-36
• 3.3 网侧变流器控制系统设计36-41
• 3.3.1 网侧电流内环设计36-38
• 3.3.2 网侧电压外环设计38-39
• 3.3.3 网侧变流器控制系统参数与仿真39-41
• 3.4 机侧变流器控制系统设计41-46
• 3.4.1 机侧电流内环设计43-44
• 3.4.2 机侧转速外环设计44-45
• 3.4.3 机侧变流器控制系统参数与仿真45-46
• 3.5 锁相环设计46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 主电路参数设计与效率优化研究49-69
• 4.1 引言49
• 4.2 功率器件参数设计49-50
• 4.3 滤波器设计50-56
• 4.3.1 LCL滤波器原理分析50-53
• 4.3.2 LCL滤波器总电感设计53-56
• 4.3.3 网侧及变流器侧电感设计56
• 4.3.4 滤波电容设计56
• 4.3.5 阻尼电阻设计56
• 4.4 母线电容设计56-57
• 4.5 功率器件损耗分析57-63
• 4.5.1 通态损耗分析58-61
• 4.5.2 开关损耗分析61-63
• 4.6 滤波器损耗分析63-66
• 4.6.1 铜损分析64-65
• 4.6.2 磁损分析65-66
• 4.7 效率优化的主电路参数配置方法66-68
• 4.8 本章小结68-69
• 第五章 驱动电路设计研究69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 驱动电路原理69-70
• 5.2.1 驱动IGBT器件功能69
• 5.2.2 调节驱动电阻功能69-70
• 5.2.3 IGBT保护报警功能70
• 5.3 NPC三电平拓扑保护分析70-71
• 5.4 驱动电路参数配置71-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第六章 实验平台搭建及实验结果75-85
• 6.1 引言75
• 6.2 控制系统分析75-78
• 6.3 实验平台搭建与实验结果分析78-84
• 6.3.1 实验平台及参数介绍78-81
• 6.3.2 锁相环实验结果81-82
• 6.3.3 网侧变流器控制实验结果82-84
• 6.4 本章小结84-85
• 第七章 总结与展望85-87
• 7.1 总结85
• 7.2 展望85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 攻读硕士学位期间参加的项目和发表的论文92

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