并网型风电机组全功率变流器设计

【摘要】：随着全球能源消耗持续增长以及化石能源紧张短缺，人类面临的生态环境污染问题日益严峻，开发新能源和清洁能源已成为当今世界各国政府的重要施政举措。风力发电是目前已开发利用的可再生清洁能源中发展最迅速，技术最成熟，也最具大规模开发利用前景和市场竞争力的发电方式。其中直驱永磁风力发电系统因其效率高、维护方便、控制性能优越等优点逐渐成为研究的焦点。而直驱风力发电技术是当前风电领域的重要研究方向，本文围绕并网型直驱风电机组全功率变流器展开了详细的分析研究，通过matlab/simulink软件平台搭建系统的仿真模型，同时基于永磁同步电机对拖实验平台，进行研究成果的验证。 首先本文简要介绍了直驱永磁风力发电系统的基本结构和运行原理，在此基础上建立全功率变流器及直流母线环节的数学模型。详细分析研究了并网型全功率变流器的控制策略，根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理，采用发电机侧转子磁场定向id0和电网侧电网电压定向的控制策略，实现能量的双向流动和快速动态响应控制。使机侧控制功率、网侧控制母线电压，实现有功与无功功率的解耦，确保系统可运行于单位功率因数状态。文章对各控制策略原理也进行了详细阐述。 其次本文重点对直驱风力发电并网变流器的主电路进行设计，包括功率组件参数设计、电网侧LCL滤波电路设计和共模抑制电路设计。提出了一种新颖的网侧LCL滤波器设计算法以抑制谐波影响，同时采用被动阻尼方法抑制谐振，对LCL滤波元件的计算步骤和配合取值原则做了详细分析阐述。通过在Matlab/simulink环境下搭建基于主动整流拓扑的1.5MW直驱风力发电全功率并网变流机组仿真模型，对所提出的控制策略以及主电路的参数设计进行了仿真验证。 最后本文以1.5MW并网型风力发电全功率变流机组电机对拖实验平台为基础，对机侧和网侧变流器的控制策略进行实验验证。首先简要分析了实验平台构成，其次对实验结果进行了分析阐述。实验结果与理论及仿真研究相吻合，有效的验证了分析的正确性。 【关键词】：直驱型风力发电 全功率变流器 SVPWM 控制策略 LCL滤波器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46;TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 论文研究背景及意义10
• 1.2 风力发电发展概况10-14
• 1.2.1 国外风力发电发展现状10-11
• 1.2.2 我国风力发电发展现状11
• 1.2.3 风力发电并网变流机组研究现状11-14
• 1.3 直驱风电机组全功率变流器研究现状14-16
• 1.3.1 全功率变流器拓扑结构14-15
• 1.3.2 全功率变流技术研究现状15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 直驱风电全功率变流器的控制原理18-36
• 2.1 直驱型风电系统的基本结构及运行原理18
• 2.2 全功率变流器数学模型18-22
• 2.2.1 基本工作原理19
• 2.2.2 三相静止坐标系下数学模型19-21
• 2.2.3 同步旋转坐标系下数学模型21-22
• 2.3 中间直流环节数学模型22-23
• 2.4 网侧 PWM 变流器控制策略研究23-31
• 2.4.1 电网电压定向矢量控制23-27
• 2.4.2 空间矢量脉宽调制理论27-31
• 2.5 机侧 PWM 变流器控制策略研究31-35
• 2.5.1 矢量控制原理32-33
• 2.5.2 转子磁场定向矢量控制33-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 并网变流器主电路的设计36-53
• 3.1 功率组件参数设计37-39
• 3.1.1 IGBT 开关管的选择37
• 3.1.2 中间直流环节电容的选取37-39
• 3.2 电网侧 LCL 滤波电路设计39-44
• 3.2.1 总电感LT 的选取40-41
• 3.2.2 变流器侧电感设计41-42
• 3.2.3 滤波电容设计42-43
• 3.2.4 电网侧电感设计43
• 3.2.5 LCL 滤波元件的配合取值原则43-44
• 3.3 共模抑制电路设计44-45
• 3.4 直驱型风力发电变流系统仿真45-52
• 3.4.1 系统主回路建模45-47
• 3.4.2 变流器控制系统建模47-49
• 3.4.3 仿真结果分析49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 实验研究53-58
• 4.1 实验平台构成53-54
• 4.2 系统实验结果分析54-57
• 4.2.1 网侧 LCL 滤波实验验证54-55
• 4.2.2 带载实验55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 结论与展望58-60
• 参考文献60-63
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文及参与的科研项目目录63-64
• 致谢64

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