三电平全功率风电并网变流器低电压穿越的研究

【摘要】：随着近年来不可再生能源的枯竭以及全球变暖的加速,风电行业得到了井喷式的发展。三电平全功率变流器由于拥有适合高压场合、输出谐波含量小、受电网故障影响小等优势,将成为顺应当下大功率、直驱两大趋势的主导机型。如今,风力发电系统在电网中已经占据了非常重要的地位。当电网发生跌落故障时,风电机组如果采取传统自然脱落的控制策略,将造成电网故障更加难以恢复。所以,风电机组应具备故障时并网运行的能力,低电压穿越技术具有非常重要的意义。 本文主要围绕三电平全功率风电并网变流器的低电压穿越问题展开研究,根据低电压穿越标准,对机侧PWM变流器、网侧PWM变流器以及中间直流单元分别给出了适应低电压穿越的控制策略,并通过仿真和实验证明了控制策略的有效性。 首先,对风力发电现状和趋势进行了调查研究,并对三电平全功率变流器的优势进行了阐述,接着讨论了低电压穿越的标准以及其必要性; 其次,建立了三电平全功率变流器、永磁同步电机的数学模型,在此基础上对网侧PWM变流器、机侧PWM变流器控制策略进行了分析,并利用Matlab/Simulink平台仿真证明数学模型和控制策略的正确性； 接着,分析了电网电压跌落时的变流动态特性,对此给出了不同能耗式保护电路以及控制策略,并用Matlab/Simulink验证理论的有效性； 通过上面的仿真可知,能耗式电路的投入将引起三电平变流器中点电位偏移,这种将影响传统SVPWM算的矢量合成,进而造成机侧变流器交流电流谐波增大以及电磁转矩脉动。针对中点电位偏移,本文提出一种改进的SVPWM算法,并用仿真证明了算法的有效性。 然后,分析了网压三相电网跌落对变流器带来的影响,给出了跌落时提供无功电流的控制策略；然后建立了不平衡状态下的数学模型,并在此基础上给出了正负序分量分离、并网电流不含负序分量的控制策略,并进行了仿真研究。 最后,通过搭建实验平台,证明了以上所提理论的有效性。 【关键词】：三电平 全功率变流器 风力发电 低电压穿越 空间矢量调制 中点电位偏移 三相不平衡 正负序
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-19
• 1.1 风力发电发展概况11-13
• 1.2 大功率变流器发展现状13-14
• 1.3 多电平变流器拓扑结构研究现状14-16
• 1.4 低电压穿越研究现状16-18
• 1.4.1 网压跌落对风力发电系统的影响16
• 1.4.2 低电压穿越相关标准16-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 2 三电平全功率变流器控制策略研究19-37
• 2.1 NPC三电平PWM变流器原理分析19-20
• 2.2 NPC三电平PWM变流器数学模型20-23
• 2.2.1 静止坐标系数学模型21-22
• 2.2.2 同步旋转坐标系数学模型22-23
• 2.3 电网侧PWM变流器控制策略23-24
• 2.4 电机侧PWM变流器控制策略24-28
• 2.4.1 永磁同步电机数学模型24-25
• 2.4.2 永磁同步电机磁链定向矢量控制25-26
• 2.4.3 零d轴电流控制26-27
• 2.4.4 永磁同步电机磁链观测27-28
• 2.5 脉宽调制策略28-33
• 2.5.1 三电平变流器基本空间电压矢量28-30
• 2.5.2 扇区判定条件30-32
• 2.5.3 基本矢量作用时间计算32-33
• 2.6 三电平全功率变流器仿真研究33-36
• 2.6.1 稳态仿真33-35
• 2.6.2 动态仿真35-36
• 2.7 本章小结36-37
• 3 机侧变流器低电压穿越研究37-55
• 3.1 全功率变流器网压跌落特性分析37-38
• 3.2 直驱风电机组低电压穿越方案38-41
• 3.2.1 直流侧保护电路拓扑研究38-39
• 3.2.2 能耗式保护电路控制方法的研究39-41
• 3.2.2.1 中间直流电压滞环控制40
• 3.2.2.2 中间直流电压PI控制40
• 3.2.2.3 能耗式保护电路参数计算40-41
• 3.3 能耗式保护电路控制策略仿真41-45
• 3.3.1 电网电压跌落动态特性仿真研究41-42
• 3.3.2 中间直流电压滞环控制仿真研究42-44
• 3.3.3 中间直流电压PI控制仿真研究44-45
• 3.4 能耗式保护电路对SVPWM的影响45-47
• 3.5 三电平变流器SVPWM算法的改进47-51
• 3.5.1 扇区划分的改进47-50
• 3.5.2 矢量作用时间计算50-51
• 3.6 改进SVPWM算法的仿真研究51-53
• 3.7 改进LVRT控制策略的仿真研究53-54
• 3.8 本章小结54-55
• 4 网侧变流器低电压穿越研究55-75
• 4.1 网侧变流器对称跌落分析55-57
• 4.1.1 无功控制策略55-56
• 4.1.2 网侧变流器对称跌落仿真研究56-57
• 4.2 三相网压不平衡网侧变流器数学模型57-60
• 4.2.1 对称分量法57-58
• 4.2.2 三相网压不平衡时d-q坐标系数学模型58-60
• 4.3 三相网压不平衡对网侧变流器的影响60-61
• 4.4 网侧变流器控制策略的改进61-64
• 4.4.1 抑制交流侧负序分量控制策略61-63
• 4.4.2 抑制直流侧波动控制策略63-64
• 4.5 正负序分量的分离64-70
• 4.5.1 传统的正负序分离方法64-66
• 4.5.1.1 利用陷波器进行正负序分离65
• 4.5.1.2 T/4算法进行正负序分离65-66
• 4.5.1.3 传统正负序分离方法分析66
• 4.5.2 改进的正负序分离方法66-70
• 4.5.2.1 DDSRF-PLL数学模型67-68
• 4.5.2.2 DDSRF-PLL数学模型68-69
• 4.5.2.3 DDSRF-PLL谐波的解决69-70
• 4.6 电网电压不平衡跌落的仿真研究70-73
• 4.6.1 电网电压不平衡时传统控制算法仿真研究70-71
• 4.6.2 电网电压不平衡时改进控制算法仿真研究71-73
• 4.6.2.1 抑制交流负序电流仿真研究71-72
• 4.6.2.2 抑制直流电压波动仿真研究72-73
• 4.7 本章小结73-75
• 5 三电平全功率变流器实验结果与分析75-85
• 5.1 实验平台设计75-78
• 5.1.1 实验平台硬件结构75-76
• 5.1.2 控制平台设计76-78
• 5.1.2.1 控制平台硬件结构77-78
• 5.1.2.2 控制平台软件设计78
• 5.2 实验结果及分析78-83
• 5.2.1 3MW对拖平台实验及分析78-80
• 5.2.1.1 机侧变流器实验及分析78-79
• 5.2.1.2 网侧变流器实验及分析79-80
• 5.2.2 25kW对拖平台实验及分析80-83
• 5.2.2.1 改进三电平SVPWM实验及分析80
• 5.2.2.2 对称跌落实验及分析80-81
• 5.2.2.3 不对称跌落实验及分析81-83
• 5.3 本章小结83-85
• 6 结论与展望85-87
• 6.1 研究结论85-86
• 6.2 后续研究工作展望86-87
• 参考文献87-91
• 附录A 3MW直驱永磁风力发电机对拖实验平台91-93
• 附录B 25kW直驱永磁发电机对拖实验平台93-95
• 作者简历95-99
• 学位论文数据集99

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