高可用度长寿命并联型风电变流器研究

【摘要】：随着环境污染和能源短缺日益严重，风能作为常见的可再生洁净能源，在近年来得到了充分的开发和广泛的应用，风力发电技术也在世界范围内得到了巨大的发展。随着陆上资源的开发，可再开发的风能资源有限，与陆上风电场相比，海上风电场具有风资源持续稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源、环境噪音和视觉影响小等特点，因此，海上风电已成为未来风电发展的重要选择。然而海上风电机组容量大、工作环境恶劣、维修困难等特点，在可靠性方面对机组提出了更高的要求，变流器是风电机组的关键部件，设计高可靠性的变流器至关重要。由于鼠笼式感应电机的高可靠性、强鲁棒性，同时全功率变流器解耦电机与电网，在一定程度上解耦机械传动部分和电网的交互，有利于提高机械部分的可靠性。本文将立足于鼠笼感应发电机（Squirrel Cage InductionGenerator，SCIG）的全功率风力发电机组展开研究。基于该机组类型，研究面向高可靠性的风电变流器拓扑、调制以及控制策略。本文的主要工作： 1)基于半导体器件物理失效机理的可靠性评估方法对风力发电变流器的可靠性进行评估。量化分析风能的波动性和间歇性对变流器的故障率以及寿命的影响，为提升风电变流器设计的可靠性提供理论依据。 2)基于高可用度的设计，提出具有冗余功能的系统级并联风电变流器拓扑结构，并对该拓扑结构进行可靠性评估，并提出经济最优化的N+X并联型风电变流器冗余设计方法。针对并联型这种复杂大规模电力电子装置有提出了高可靠的分布式控制系统的设计方法。同时研究并联型风电变流器的运行、控制与保护控制策略，实现变流器故障重构后风电机组限功率再运行。 3)从降低功率器件平均结温可以延长变流器寿命的可靠性机理出发，提出基于DPWM的交错并联调制方式，最大化地减小功率开关损耗，从而降低其平均结温，提高变流器的可靠性。本文又分析了采用基于DPWM的交错并联方式而引起的谐波偏大以及零序环流问题，针对新出现的问题提出优化调制与控制策略，从而在保证风电变流器性能的情况下，大幅提高变流器的可靠运行能力。 4)提出了并联型变流器中子系统间无功环流和正交环流的热控制技术，研究了风电变流器两种基于热控制的状态控制方法。首先从平滑功率器件结温波动可以延长变流器寿命的可靠性机理出发，以平滑结温波动为目标，提出了基于环流热控制技术实现结温波动平滑控制。再次针对由于风能的突降将造成柜内凝露现象，通过减缓结温下降速度为目标的基于环流热控制技术，可以防止凝露现象，从而降低变流器的故障率，亦提升了变流器的可靠性。 本文对上述提出的控制策略及调制方法进行了理论分析，数学建模以及仿真实验验证。 【关键词】：并联型风电变流器 可靠性 N-1限功率运行 DPWM（不连续脉宽调制） 交错并联调制 零序环流抑制 基于环流的热控制
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-35
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 海上风力发电技术发展现状15-25
• 1.2.1 海上风力发电机组发展现状15-20
• 1.2.2 海上风力发电变流器发展现状20-25
• 1.3 海上风电变流器可靠性研究背景及现状25-31
• 1.3.1 功率器件失效机理27-31
• 1.3.2 变流器可靠性研究现状31
• 1.4 本文的主要研究内容31-35
• 第二章 风电变流器可靠性分析35-57
• 2.1 变流器可靠性评估35-42
• 2.1.1 可靠性35-37
• 2.1.2 寿命评估37-42
• 2.2 风电变流器可靠性分析42-55
• 2.2.1 风电波动性42-44
• 2.2.2 电热模型44-51
• 2.2.3 寿命评估51-53
• 2.2.4 3MW 风电变流器案例分析53-55
• 2.3 本章小结55-57
• 第三章 高可用度风电变流器设计与控制57-117
• 3.1 并联型拓扑结构58-60
• 3.1.1 器件级并联58
• 3.1.2 组件级并联58-59
• 3.1.3 系统级并联59-60
• 3.2 经济优化设计60-68
• 3.2.1 单个子变流器单元可靠性分析60-62
• 3.2.2 “N+X”型并联风电变流器可靠性分析62-64
• 3.2.3 3MW 全功率风电变流器案例分析64-68
• 3.3 分布式控制系统设计68-87
• 3.3.1 分布式控制系统结构69-76
• 3.3.2 分布式实时通信76-87
• 3.3 正常工况运行及控制87-101
• 3.3.1 风功率曲线87-89
• 3.3.2 网侧变流器控制89-91
• 3.3.3 机侧变流器控制91-94
• 3.3.4 仿真与实验结果分析94-101
• 3.4 故障特征分析及故障隔离101-107
• 3.4.1 开路故障特征分析102-105
• 3.4.2 短路故障特征分析105-106
• 3.4.3 故障隔离措施研究106-107
• 3.5 N-1 限功率运行107-115
• 3.5.1 N-1 运行功率限制107-108
• 3.5.2 N-1 运行控制策略108-111
• 3.5.3 仿真分析111-115
• 3.6 本章小结115-117
• 第四章 基于 DPWM 的交错并联调制降损优化117-145
• 4.1 DPWM 调制及谐波特性分析117-123
• 4.2 交错并联调制123-124
• 4.3 基于 DPWM 交错并联调制124-133
• 4.3.1 基于 DPWM 交错并联调制研究及谐波分析124-128
• 4.3.2 仿真与实验结果分析128-133
• 4.4 零序环流分析以及抑制133-140
• 4.4.1 交错并联系统零序环流分析133-136
• 4.4.2 交错并联零序环流抑制136-137
• 4.4.3 仿真与实验结果分析137-140
• 4.5 优化调制策略下电热案例分析140-142
• 4.6 优化调制策略下可靠性分析142
• 4.7 本章小结142-145
• 第五章 基于环流的并联型变流器状态控制技术145-175
• 5.1 变流器热控制技术146-147
• 5.2 并联型变流器环流控制技术147-159
• 5.2.1 无功环流控制149-151
• 5.2.2 正交环流控制151-153
• 5.2.3 数学建模及仿真验证153-159
• 5.3 基于环流的结温波动平滑控制技术159-166
• 5.3.1 结温波动平滑控制159-160
• 5.3.2 基于环流的温度波动平滑控制160-161
• 5.3.3 数学建模及仿真验证161-166
• 5.4 基于环流的防凝露控制技术166-173
• 5.4.1 高防护设计166-167
• 5.4.2 凝露产生机理及防凝露措施167-169
• 5.4.3 基于环流的防凝露控制169-170
• 5.4.4 数学建模及仿真验证170-173
• 5.5 本章小结173-175
• 第六章 总结与展望175-177
• 6.1 论文工作总结175
• 6.2 进一步工作展望175-177
• 参考文献177-187
• 附录187-193
• 致谢193-195
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文195-196

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