风力发电系统网侧电力变换器研究

论文摘要

能源需求的不断增长和化石燃料利用所产生的有关问题,比如原料价格高涨,环境污染以及已探明化石燃料储量的一半已被开发利用,使得寻求诸如风能一样的可持续的、清洁的能源非常必要,这也迫使研究人员致力于提高能源的利用率和改善能源的质量及可控性方面的研究。一般来说,大多数最近开发的风力发电系统都是通过电能变换装置与地区电网或者全国性电网相连。此种电能变换装置包括发电机侧变换器和电网侧变换器。这两侧变换器的相关技术对于整个系统的性能的改进和优化有着各自的重要性。双馈电机变速恒频发电系统通过一个电能变换器与电网相连,这个电能变换器通常采用AC-DC-AC变换器。其中,转子侧变换器在双馈电机的转子侧提供变压变频电源,而网侧变换器部分工作在恒压恒频条件下。虽然这两个变换器的运行条件不同,它们的拓扑结构和基本功能有很多相似的地方。因此有些控制策略和概念进行必要的修改后可以适用于两个变换器。本文的研究重点是并网型电力变换器技术,对其在变速恒频风力发电系统（尤其是双馈电机风电系统）中的应用问题进行了探讨。系统的网侧变换器必须在双馈电机超同步速时可以实现系统能量可逆流动（能量从双馈电机转子回馈到电网）,从而要求网侧变换器具有双向或四象限运行能力。最适合的变换器就是IGBT（集成门极双极性晶体管）三相全桥电压源变换器,这种拓扑结构的变换器可以应用到风力发电系统或者其他通用的场合,比如ASD（变速驱动）系统、有源整流、交流电源等等。这种系统包括一个PWM全桥可逆整流器或者所谓的电压源变换器,通过无源电路接口与电网的PCC点（公共连接点）相连。本文的研究目的是改进双馈电机变速发电系统或变速驱动系统的的功能和效率,减轻系统缺陷所带来的危害。双馈电机变速发电系统通常又称为变速恒频发电系统（VSCF-Variable Speed Constant Frequency）。本文的研究重点是该系统与电网相连部分的网侧AC-DC可逆整流器。本文首先对网侧变换器电网接口电路的设计与分析进行了研究。接口电路采用了LCL型滤波器拓扑结构。与LC型滤波器相比,LCL型滤波器的优点在于所用电感的体积较小,系统具有更好的动态性能,并且滤波器紧凑,性价比较高,具有较好的THD和EMI抑制能力。考虑了滤波器与电网之间的相互作用以及滤波器参数选择的影响,着重研究了PWM开关谐波的影响。进而考虑了PCC点的条件和限制（电网的强弱）,得出了一个包含LCL滤波器的分析模型。从而,考虑电压源变换器采用PWM调制信号后,推导出了系统整体的传递函数,简化了输入输出的建模。将该分析模型应用到了数值计算和Matlab-Simulink软件仿真,并进行了实验研究,实验结果验证了分析和计算的有效性。

论文目录

• Abstract（English）
• Abstract（Chinese）
• 1 Introduction
• 1.1 Purpose and Significance of the Research
• 1.2 Grid-Connected Converter Related Issues
• 1.2.1 Main aspects of grid-connected operation
• 1.2.2 Other issues for grid-connected converter
• 1.3 Research Status of Grid-Connected Converters
• 1.3.1 Review on grid-connected converter topologies
• 1.3.2 Review of feedback control schemes
• 1.3.3 Review of Control Techniques for PWM Rectifier
• 1.4 Main Research Goals
• 2 Grid Side Converter Interface
• 2.1 Introduction
• 2.2 Circuit Analysis and Mathematical Representation
• 2.3 Utility Grid Considerations and Constraints
• 2.3.1 Strong Grid
• 2.3.2 Weak Grid
• 2.4 Analytical Modeling of Transfer Functions
• 2.5 Numerical Calculations and Simulation Results
• 2.6 Derivation of Overall Transfer Functions
• 2.7 Experimental Results
• 2.8 Summary
• 3 Power Quality and Harmonics Elimination
• 3.1 Introduction
• 3.2.T heoretical Aspects and Mathematical Model
• 3.3 Synchronous Frame Calculations
• 3.3.1 Effect of Poles/Zeros of Feedback Path Filter/ Transducer
• 3.3.2 Overall feedback control transfer function
• 3.3.3 Modulation Index
• 3.3.4 Effect of Output Load
• 3.4 Simulations Results
• 3.5 Experimental Results
• 3.6 Summary
• 4 Direct Power Control Scheme
• 4.1 Introduction
• 4.2 Basic DPC and VF-DPC Schemes Explanations
• 4.3 Proposing New DPC Control Scheme
• 4.4 Synthesis of Active and Reactive Power Controllers
• 4.5 Unbalance Compensation and Voltage Reconstruction
• 4.6 Experimental Results
• 4.7 Summary
• 5 DC Link Voltage Conversion and Control
• 5.1 Introduction
• 5.2 Explanation of Converter and Existing Control Schemes
• 5.3 Proposing New Control Scheme
• 5.3.1 Buck Converter
• 5.3.2 Boost converter
• 5.3.3 Energy Conservation and Current Reference
• 5.4 Comparison of New Scheme with CM and SM Control Schemes
• 5.5 Simulation Results
• 5.6 Summary
• Conclusion
• References
• Appendix-A
• List of Published Papers
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• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• Acknowledgements
• Resume