基于直驱型风电系统的多电平变流器算法研究

【摘要】： 目前主流的风电系统中,直驱型风电系统因其具有结构简单、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。全功率并网变流装置作为直驱型风力发电系统与电网的接口,其结构的选择对变速恒频运行性能至关重要。然而,国内外对于双馈型系统变流器研究较多,但有关直驱型系统全功率并网变流器的深入研究还很少。我国直驱型变流机组及其核心控制技术方面也严重依赖进口,极大制约了我国风电产业的发展。因此,本文针对直驱型风电系统全功率并网变流装置展开研究,并通过仿真验证了理论研究成果的正确性。 论文首先介绍了世界风电发展的背景、概况以及技术发展趋势;对比分析了恒速恒频和变速恒频风电系统的结构、特点,详细阐述了变速恒频系统的几种典型拓扑结构;综述了并网变流装置的拓扑结构及其控制策略的发展概况。 其次,本文对比分析了典型并网变流方案的结构及特点,并在考虑现有开关器件耐压值及开关频率水平的情况下提出一种符合大功率直驱型风电系统要求的变流拓扑结构,即将单元串联型多电平变流器与直驱型风电系统相结合的方案,利用低速多相永磁同步发电机为各个串联单元提供独立直流电源,将直驱型风电系统的固有的优点同单元串联型变流器高压、高品质、大功率的输出特点结合在一起。 第三,文章分析了多电平变流器的拓扑结构,工作原理,及控制方法。针对本方案中出现的直流侧电压不平衡情况,论文通过分析基于载波移相脉宽调制方法不同调制深度下的输出波形,提出了直流侧电压不平衡情况下输出电压的稳定控制方法,并通过仿真验证了理论结果的正确性。 最后,文章推导出三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下瞬时功率的计算方法,针对并网变流系统建立了数学模型,并根据数学模型得出了电流的控制方法,经过仿真验证了控制方法的正确性。 【关键词】：直驱型风电系统 并网变流器 单元串联 载波移相脉宽调制 矢量控制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 国内外风能的开发利用10-11
• 1.2 风力发电技术研究现状11-16
• 1.2.1 风力发电系统的分类11-14
• 1.2.2 直驱型风电系统变流技术的研究现状14-15
• 1.2.3 直驱型风电系统变流装置发展的技术瓶颈15-16
• 1.3 本章小结16-17
• 1.3.1 选题依据16
• 1.3.2 技术路线16
• 1.3.3 本文主要内容16-17
• 2 直驱型风力发电系统变流拓扑结构17-24
• 2.1 直驱型风电系统变流装置原理17
• 2.2 直驱型风电系统典型变流方案17-21
• 2.2.1 不可控整流器+晶闸管逆变器+无功补偿型拓扑结构18
• 2.2.2 不可控整流+PWM电压源型逆变器18-19
• 2.2.3 不可控整流+Boost环节+PWM电压源型逆变器结构19-20
• 2.2.4 背靠背双PWM整流器型结构20
• 2.2.5 不控整流+电流源型逆变器结构20-21
• 2.2.6 不控整流+Z源逆变器型结构21
• 2.3 现有并网变流方案存在的问题21-22
• 2.4 新型并网变流方案22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 多电平变流器研究24-37
• 3.1 多电平技术的发展概况24
• 3.2 多电平变流器拓扑结构的研究24-29
• 3.2.1 二极管箝位型多电平逆变器25-26
• 3.2.2 飞跨电容型多电平逆变器26-27
• 3.2.3 单元串联型多电平逆变器27-29
• 3.2.4 多电平拓扑结构对比29
• 3.3 多电平变流器PWM控制技术29-36
• 3.3.1 阶梯波30-31
• 3.3.2 特定谐波消去法31
• 3.3.3 载波移相脉宽调制31-33
• 3.3.4 消谐波脉宽调制33-35
• 3.3.5 空间矢量脉宽调制35
• 3.3.6 控制方法的对比分析35-36
• 3.3.7 CPS-SPWM技术评价36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 输出电压的稳定控制37-50
• 4.1 输出电压不稳定的原因分析37
• 4.2 CPS-SPWM控制方法下的输出波形解析37-43
• 4.3 过调制下的输出波形解析43-45
• 4.4 输出电压的稳定控制策略及仿真分析45-49
• 4.4.1 输出电压的稳定控制策略45-46
• 4.4.2 控制策略仿真模型46-48
• 4.4.3 仿真结果及分析48-49
• 4.5 本章小结49-50
• 5 并网变流器的控制策略50-61
• 5.1 并网变流器的控制方法50
• 5.2 瞬时功率的计算50-53
• 5.3 并网变流器的数学模型53-56
• 5.3.1 三相静止坐标系下的模型54-55
• 5.3.2 两相旋转坐标系(d-q-0)下的数学模型55-56
• 5.4 变流器的控制策略及仿真分析56-60
• 5.4.1 并网变流器的控制策略56
• 5.4.2 并网变流器的仿真模型56-57
• 5.4.3 仿真结果及分析57-60
• 5.5 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-65
• 附录A 贝塞尔理论65-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

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