MW级直驱式三电平背靠背风力发电控制系统

论文摘要

随着化石类能源的消耗,非可再生能源的紧缺,发展新的可再生能源变得越来越重要,风能是众多绿色能源中非常重要的一种。在风能转换系统中,变流器的作用异常重要,为了提高对风力资源的利用效率,降低运营成本,增大单机机组容量、提升并网电压等级成为风电发展的一个必然趋势。三电平的拓扑结构有利于提高并网电压,优化并网电流和电压波形,更易实现低电压穿越,是MW级风力发电系统的主要拓扑结构。本课题主要研究了MW级直驱式三电平背靠背风力发电控制系统,主要研究内容如下：编写了3MW直驱式三电平背靠背风电变流器的硬件方案计算书,计算书中给出了变流器总体拓扑结构,并针对设计的机侧和网侧变流器,分别描述了各部分的设计方案和计算过程,其中包括了电机侧滤波器的设计、电网侧滤波器的设计、中间直流环节参数的设计、制动单元的设计、吸收回路的设计、IGBT模块与NPC二极管选型和中间环节放电电阻及均压电阻的设计。为确保风电变流器具有比较高的效率,要尽量减小变流器的损耗。因此在所设计的3MW直驱式三电平背靠背风电变流器的基础上,通过对变流器工况的分析,对变流器的开关损耗和导通损耗进行了计算和分析。针对风电变流器的低电压穿越要求,采用了网侧变流器控制与卸荷电路相结合的方式来实现无功运行模式,中间直流卸荷电路在故障时消耗掉直流侧多余的能量,同时变流器还要按照主控要求和电网电压跌落的深度给电网提供无功电流。并且基于Matlab/Simulink构建了直驱风电系统网侧变流器仿真模型,验证了在电网电压跌落时,该控制策略对提高风力发电变流器低电压穿越能力的有效性。本文提出了一种新的三电平死区补偿的分析方法,既考虑了死区时间和开关延时,又考虑了管压降的影响,并给出了两种基于FPGA的三电平技术的实现方式：一种是基于FPGA的SOPC系统的三电平技术实现；另一种是基于DSP完成控制算法而FPGA负责发波等功能的实现方式。最后通过三电平实验平台对所研究内容进行了实验,证明了研究的有效性和正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 装机容量和发展速度
• 1.2.2 风电变换系统结构
• 1.2.3 三电平风力发电系统概述
• 1.2.4 并网导则
• 1.3 本课题主要研究内容
• 2 MW级直驱式三电平背靠背风力发电变流器整体设计方案
• 2.1 引言
• 2.2 双三电平风电变流器总体设计
• 2.3 机侧变流器滤波器的设计
• 2.3.1 电机侧差模du/dt滤波器设计
• 2.3.2 电机侧共模du/dt滤波器设计
• 2.4 网侧变流器滤波器的设计
• inv'>2.4.1 变流器侧电感L_inv
• g'>2.4.2 网侧电感L_g
• f'>2.4.3 滤波电容C_f
• f、L_f设计'>2.4.4 阻尼支路R_f、L_f设计
• 2.5 中间直直流环节参数设计
• dc设计'>2.5.1 中间直流电压V_dc设计
• 2.5.2 中间直流电容容量设计
• 2.6 制动单元设计
• 2.6.1 制动电阻的计算与选型（按最大值）
• c的计算与选型'>2.6.2 开关管T_c的计算与选型
• 2.6.3 二极管的计算和选型
• 2.7 吸收回路设计
• 2.7.1 母线杂散电感与Snubber Cap的选取
• s与C_s参数的选取'>2.7.2 R_s与C_s参数的选取
• s值的选取'>2.7.3 R_s值的选取
• 2.8 IGBT模块与NPC二极管选型
• 2.8.1 IGBT的选取
• 2.8.2 IGBT模块反并联二极管与NPC二极管的SOA
• 2.9 中间环节放电电阻及均压电阻
• 2.9.1 均压电阻
• 2.9.2 放电电阻
• 2.10 本章小结
• 3 三电平风电变流器的损耗计算
• 3.1 引言
• 3.2 变流器IGBT损耗计算
• 3.2.1 NPC型三电平逆变器工况分析
• 3.2.2 器件通态损耗计算
• 3.2.3 吸收回路损耗计算
• 3.3 本章小结
• 4 三电平风力发电系统的低电压穿越研究
• 4.1 引言
• 4.2 电网电压跌落故障时直驱风电系统的响应特性与应对措施分析
• 4.3 机侧变流器控制策略
• 4.3.1 风机建模
• 4.3.2 变桨控制
• 4.3.3 机侧变流器控制策略
• 4.4 网侧变流器控制策略
• 4.5 低电压穿越的MATLAB仿真
• 4.5.1 直驱型风电系统网侧变流器仿真模型
• 4.5.2 中间直流侧卸荷电路控制策略仿真
• 4.5.3 网侧变流器无功控制策略仿真
• 4.6 本章小结
• 5 基于FPGA的三电平实现技术
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统整体功能描述
• 5.3 硬件结构和FPGA实现
• 5.3.1 FPGA总体结构
• 5.3.2 2s/3s变换公式及FPGA实现
• 5.3.3 三电平SPWM调制
• 5.3.4 简化的三电平SVPWM调制
• 5.3.5 电压利用率
• 5.3.6 阻尼振荡抑制
• 5.3.7 中点电位平衡控制算法
• 5.3.8 同步分析
• 5.4 三电平死区补偿分析
• 5.4.1 时间补偿
• 5.4.2 管压降补偿
• 5.5 硬件条件和实验参数
• 5.6 实验结果与分析
• 5.7 三电平技术的SOPC系统实现
• 5.7.1 硬件设计
• 5.7.2 软件设计
• 5.7.3 硬件结构和实验波形
• 5.8 本章小结
• 6 发展与展望
• 6.1 结论
• 6.2 有待完善的工作
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢