离网型风力发电系统三相四桥臂逆变器控制策略研究

论文摘要

针对离网型小型风力发电系统中负载具有随机性和不平衡性的特点,本文将三相四桥臂逆变器应用于该系统。三相四桥臂逆变器是为解决带三相不平衡负载而提出来的一种新型拓扑结构。这种拓扑结构最大的优点是为不平衡负载提供三相对称电压,而且和其他三相四线制逆变器相比,系统的体积和重量比较小。本文建立了三相四桥臂逆变器在三相静止abc坐标系和双同步旋转坐标系下的数学模型。由于在三相静止abc坐标系中,采用PI调节器无法对交流量实现无静差控制,本文采用了三种基于同步旋转坐标变换的控制策略。第一种控制策略是基于传统正序同步旋转坐标系的电压、电流双环结构,这种控制策略实现起来最简单,但是由于在正序同步旋转坐标系下负序分量表现为2次谐波,很难对其实现无静差控制,导致了该种控制策略的精度不高。为了实现对正序、负序和零序分量的独立控制,本文还采用了两种基于双同步旋转坐标变换的控制策略。这两种控制策略均能实现对三组分量的独立控制,其中第二种控制策略不需要将正序、负序分量分离开,实现起来比较容易。但是由于零序分量是交流量,因此这种控制策略对零序分量仍然比较难实现无静差控制。而第三种控制策略采用对称分量分解法将三组分量均变换为双同步旋转坐标系下的直流量,从而采用PI调节器可以实现对各组分量的无静差控制,控制精度最高。在理论分析的基础上,运用MATLAB仿真软件对系统进行了开环和闭环系统仿真。仿真结果与理论分析一致,闭环系统仿真验证了上述控制策略的正确性和可行性。最后,采用TI公司的TMS320LF2406 DSP芯片作为控制芯片,对三相四桥臂逆变器系统进行了系统实验。实验结果证明了上述方案对不平衡负载有较强的抑制作用,能够为负载提供优质电能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 能源危机与小型风力发电
• 1.2 小型风力发电研究的现状及趋势
• 1.3 课题研究的背景及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 三相逆变系统负载不平衡问题分析
• 2.1 逆变技术概述
• 2.1.1 逆变器的基本概念
• 2.1.2 衡量逆变器的性能指标
• 2.2 三相逆变器质量标准
• 2.2.1 衡量电源电压不平衡的指标
• 2.2.2 衡量电源电压不平衡的标准
• 2.3 三相逆变器负载不平衡问题分析
• 2.3.1 对称分量法
• 2.3.2 三相三桥臂逆变器输出电压不对称的机理分析
• 2.4 三相四桥臂逆变器的等效模型
• 2.4.1 空间矢量的概念和坐标变换
• 2.4.1.1 空间矢量的概念
• 2.4.1.2 “等量”坐标变换
• 2.4.2 三相四桥臂逆变器的等效模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 三相四桥臂逆变器的数学建模与三维空间矢量调制
• 3.1 三相四桥臂逆变器的稳态分析
• 3.2 三相静止坐标系中的数学模型
• 3.3 双同步旋转坐标系中的数学模型
• 3.3.1 正序旋转坐标系的建立
• 3.3.2 负序旋转坐标系的建立
• 3.3.3 双同步旋转坐标系中数学模型的建立
• 3.4 三维空间矢量调制概述
• 3.5 本章小结
• 第四章 三相四桥臂逆变器的控制策略
• 4.1 三相四桥臂逆变器的控制策略研究
• 4.2 基于传统正序同步旋转坐标系的控制策略
• 4.2.1 解耦策略
• 4.2.2 传统正序同步旋转坐标系下的控制系统
• 4.3 双同步旋转坐标系下的控制策略
• 4.3.1 平衡控制策略
• 4.3.2 不需分序的双同步旋转坐标系下的控制策略
• 4.3.2.1 正序、负序分量控制方法
• 4.3.2.2 零序分量控制方法
• 4.3.3 需分序的双同步旋转坐标系下的控制策略
• 4.4 三相四桥臂逆变器主电路参数设计
• 4.4.1 直流侧电压的选择
• 4.4.2 直流侧电容的选择
• 4.4.3 交流侧滤波电感、电容的选择
• 4.5 三相四桥臂逆变器控制系统设计
• 4.5.1 电流内环设计
• 4.5.2 电压外环的设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 三相四桥臂逆变器的系统仿真
• 5.1 三相四桥臂逆变器仿真模型的建立
• 5.2 开环系统仿真
• 5.3 闭环系统仿真
• 5.3.1 基于传统正序同步旋转dq0 坐标系控制策略的系统仿真
• 5.3.2 基于不需分序模块的双同步旋转坐标系控制策略的系统仿真
• 5.3.3 基于需分序的双同步旋转坐标系控制策略的系统仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统实验
• 6.1 实验系统硬件设计
• 6.1.1 系统构成
• 6.1.2 器件选择
• 6.1.3 控制电路设计
• 6.1.3.1 DSP 外围电路设计
• 6.1.3.2 驱动电路设计
• 6.1.3.3 采样电路设计
• 6.2 系统软件设计
• 6.2.1 主程序设计
• 6.2.2 中断服务程序设计
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 开环实验结果
• 6.3.2 闭环实验结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 1