不平衡电压下三电平全功率风电变流器的控制研究

【摘要】：风能作为一种清洁、可再生能源具有巨大潜力。开发和利用风能，对我国的经济发展具有重大意义。然而，随着国内外风电装机容量的迅速增长，电网故障发生频繁，尤其是当电网电压处于不平衡故障状态时，将严重影响机组的正常运行。而三电平变流器因其输出电压谐波小、开关管承受电压小等优点越来越受人们的关注。因此，研究在电网电压不平衡状态下的三电平变流器控制策略具有重要意义。 本文以三电平全功率风电变流器作为研究对象，围绕直驱型永磁风力发电系统的变流控制技术展开了深入研究。 首先，阐述了风力发电技术的发展现状和未来发展的趋势。分析了目前风力发电并网的控制技术和在电网电压不平衡状态下的运行问题及控制策略。并对各种控制策略的优劣进行了对比说明。之后又搭建了风力机模型，并对风力机的原理和各个模块进行了介绍。 其次，分析了三电平全功率变流器拓扑结构和工作原理以及直驱型永磁同步发电机的工作原理，并分别对风力发电系统变流器的机侧和网侧建立了数学模型，在此基础上又分别对变流器机侧和网侧的控制策略进行了阐述。 接着，研究了在电网电压平衡状态下，三电平全功率变流器机侧和网侧的控制策略，并采用了机侧旋转坐标零d轴电流控制和网侧电压外环电流内环的双闭环电压定向矢量控制策略，并进行了相应的仿真验证。 然后，研究了三电平变流器的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，详细的阐述了其实现过程及每一部分模块的基本原理。针对中点电压不平衡问题对其进行了改进，并搭建了相应仿真模型，来验证改进措施的有效性。 最后，深入探讨了在三相电网电压不平衡状态下，三电平全功率变流器的控制策略，并对三相不平衡电压进行了正、负序分解，并建立了数学模型。对变流器网侧分别采用了双电流闭环控制和比例谐振控制，并提出将这两者结合的改进方法。通过对比三种控制方法来验证该改进方法的正确性和有效性。 【关键词】：风能 不平衡 三电平变流器 永磁同步发电机 空间矢量脉宽调制 正负序
【学位授予单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 课题研究背景和意义11
• 1.2 国内外风电发展现状11-14
• 1.2.1 世界风电发展11-13
• 1.2.2 国内风电发展13-14
• 1.3 风力发电技术研究现状14-16
• 1.3.1 风力发电系统发展14-15
• 1.3.2 直驱型风电系统变流器拓扑结构15-16
• 1.4 全功率变流器控制策略研究现状16-18
• 1.4.1 机侧变流器控制现状16
• 1.4.2 网侧变流器控制现状16-17
• 1.4.3 不平衡电压下变流器控制现状17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-20
• 2 风力机系统研究20-28
• 2.1 风力机特性20-21
• 2.2 风力机的最大功率跟踪21-24
• 2.2.1 最大功率跟踪方法22
• 2.2.2 传统的爬山搜索法22-23
• 2.2.3 改进的爬山搜索法23-24
• 2.3 风力机系统的仿真实现24-27
• 2.3.1 风力机特性仿真25-26
• 2.3.2 最大功率跟踪仿真26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 三电平全功率变流器控制研究28-42
• 3.1 三电平变流器的基本原理28-29
• 3.1.1 三电平变流器拓扑结构28
• 3.1.2 二极管箝位型拓扑结构原理28-29
• 3.2 坐标变换理论29-32
• 3.2.1 坐标变换的基本理论29-30
• 3.2.2 三相静止/两相静止变换(3s/2s)30
• 3.2.3 两相静止/两相旋转变换(2s/2r)30-31
• 3.2.4 三相静止/两相旋转变换(3s/2r)31-32
• 3.3 机侧变流器的控制32-35
• 3.3.1 永磁同步电机数学模型32
• 3.3.2 永磁同步电机磁链定向矢量控制32-33
• 3.3.3 永磁同步电机控制策略33-34
• 3.3.5 永磁同步电机仿真实现34-35
• 3.4 网侧变流器的控制35-40
• 3.4.1 网侧变流器数学模型35-36
• 3.4.2 静止坐标系数学模型36-37
• 3.4.3 同步旋转坐标系数学模型37
• 3.4.4 网侧变流器控制策略37-39
• 3.4.5 网侧变流器仿真实现39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 三电平 SVPWM 技术研究42-55
• 4.1 三电平 SVPWM 技术42-44
• 4.1.1 三电平 SVPWM 技术原理42-43
• 4.1.2 三电平基本空间矢量43-44
• 4.2 三电平 SVPWM 技术调制原理44-49
• 4.2.1 空间矢量区域判断44
• 4.2.2 空间矢量时间计算44-45
• 4.2.3 空间矢量时间状态分配45-46
• 4.2.4 SVPWM 仿真模型46-48
• 4.2.5 SVPWM 仿真结果48-49
• 4.3 改进 SVPWM 控制49-54
• 4.3.1 中点电压对空间矢量的影响49-50
• 4.3.2 区域的重新划分与判断50-51
• 4.3.3 空间矢量时间计算51-53
• 4.3.4 改进 SVPWM 仿真结果53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 不平衡电压下变流器机侧控制研究55-66
• 5.1 不平衡电压下变流器数学模型55-58
• 5.1.1 不平衡电压研究概况55
• 5.1.2 对称分量法55-56
• 5.1.3 不平衡时 d-q 坐标系下数学模型56-58
• 5.2 正负序分量的分离58-61
• 5.2.1 陷波器法58-59
• 5.2.2 四分之一周期法59-60
• 5.2.3 直接延迟法60
• 5.2.4 三种方法比较分析60-61
• 5.3 卸荷电路61-65
• 5.3.1 卸荷电路现状61
• 5.3.2 串电阻卸荷电路61-63
• 5.3.3 卸荷电阻参数设计63
• 5.3.4 卸荷电路控制仿真63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 6 不平衡电压下变流器网侧控制研究66-77
• 6.1 不平衡控制策略原理66-67
• 6.2 双电流闭环控制67-69
• 6.2.1 双电流闭环控制原理67-69
• 6.2.2 双电流闭环控制仿真69
• 6.3 比例谐振控制69-71
• 6.3.1 比例谐振控制原理69-70
• 6.3.2 比例谐振控制仿真70-71
• 6.4 比例积分和比例谐振结合控制71-72
• 6.4.1 比例积分和比例谐振结合控制原理71
• 6.4.2 比例积分和比例谐振控制仿真71-72
• 6.5 不平衡控制仿真结果72-76
• 6.5.1 传统控制方法仿真结果72-73
• 6.5.2 双电流闭环控制仿真结果73
• 6.5.3 比例谐振控制仿真结果73-74
• 6.5.4 比例积分和比例谐振结合控制仿真结果74-75
• 6.5.5 各种控制方法仿真结果比较75-76
• 6.6 本章小结76-77
• 7 总结与展望77-79
• 7.1 总结77
• 7.2 展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 攻读学位期间取得的研究成果84

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