永磁风力发电机分布式直流并网变流器的研究与实现

论文摘要

分布式发电被公认是降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的有效途径,目前已成为电力工业重要的发展方向之一。与传统大电网联网相比,采用永磁（同步）风力发电机的分布式直流并网系统因电网支撑能力有限,在并网可控性、稳定性和可靠性等方面性能较差。因此,宽运行范围下的机侧有效控制、直流侧电压稳定性研究和系统可靠运行是分布式直流并网变流器研究和实现的关键技术。本文围绕上述的关键技术,重点针对宽运行范围下的永磁风力发电机变速恒压控制和机侧变流器交流侧电感、直流侧电容参数的选优,基于辅助支撑电容结构的直流斩波电路设计和恒压控制,系统级联恒压控制和系统效率优化等方面进行了理论分析和实验研究。主要包括以下内容：（1）研究了基于永磁风力发电机和机侧变流器的宽风速运行范围下的变速恒压控制。首先确定永磁风力发电机励磁分量计算和补偿的原则,通过调整电机电枢电流,在一定范围内达到对电机输出电压水平的控制；其次对永磁风力发电机的功率因数控制进行分析,给出了满足功率因数可调要求的限制条件；最后对变流器输入交流侧电感和直流侧电容参数的选优做了深入研究和对比分析。（2）为改善机侧变流器电压调节能力的不足和提高直流侧电压跟踪性,设计了基于辅助支撑电容结构的升降压直流斩波电路。控制策略上考虑了前端PWM变流器的电压调整特性,采用电压复合控制的方式实现了直流侧输出电压的快速调节和稳定并网。详细地阐述和分析了直流斩波电路中电感和滤波电容的计算过程及其对系统性能的影响。（3）针对分布式直流并网变流器拓扑结构和控制上的特点,推导了机侧PWM变流器和直流斩波电路占空比描述的级联表达式,并依此设计了占空比控制的级联协调恒压控制模式。分析了影响变流器母线电压稳定性的因素,兼顾系统的效率优化问题,得到了考虑母线电压稳定性能、以直流侧功率为寻优目标的简单、可行的效率优化方案。（4）分析了直流电压跌落的原因以及对系统造成的影响,基于宽风速运行范围分析了永磁风力发电机的多状态运行模式,提出了基于机侧动态电压解耦补偿控制的多模式优化控制方法,拓宽了输入范围,保证了直流并网的可靠性。（5）详细地给出了永磁风力发电机分布式直流并网变流器的工程设计和实现过程。该类变流器的研究相对较少,本文以100kW变流器作为验证样机,在完善硬件设计的同时,对上述提出的控制方案和策略进行仿真分析和相关实验验证,使系统的性能指标满足：输入转速变化范围达到额定转速的20%～120%,交流侧功率因数可调范围-0.95～+0.95,直流并网电压调整率小于额定电压的3%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 分布式直流并网的研究
• 1.2.2 机侧PWM变流器控制方案
• 1.2.3 直流斩波电路的设计与研究
• 1.2.4 整机优化控制技术
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第二章 永磁风力发电机侧PWM变流器变速恒压控制
• 2.1 基于永磁风力发电机励磁分量补偿的变速恒压控制
• 2.1.1 永磁风力发电机的数学模型和等效电路
• 2.1.2 永磁风力发电机励磁分量控制原则
• 2.1.3 励磁分量补偿变速恒压控制的实现
• 2.2 高功率因数控制与满足功率因数可调要求的限制条件
• 2.2.1 电流约束条件下的高功率因数控制
• 2.2.2 直接功率控制下的高功率因数控制
• 2.2.3 满足功率因数可调要求的限制条件
• 2.3 交流侧电感和直流侧电容的计算与分析
• 2.3.1 输入交流侧电感的计算与分析
• 2.3.2 直流母线侧电容的计算与分析
• 2.3.3 计算实例
• 2.4 仿真和实验结果分析
• 2.4.1 仿真结果分析
• 2.4.2 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 辅助支撑电容拓扑结构直流斩波电路设计与恒压控制研究
• 3.1 辅助支撑电容拓扑结构直流斩电路设计
• 3.1.1 级联和并联的设计方案
• 3.1.2 辅助支撑电容拓扑结构直流斩波器设计
• 3.2 直流斩波电路的电压复合恒压控制
• 3.2.1 直流斩波电路的动态模型
• 3.2.2 电压复合恒压控制的实现
• 3.3 电感和滤波电容的计算及其对系统的影响
• 3.3.1 电感的计算及其对系统的影响
• 3.3.2 滤波电容的计算及其对系统的影响
• 3.3.3 计算实例
• 3.4 仿真和实验结果分析
• 3.4.1 仿真结果分析
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 级联恒压及系统效率最优控制
• 4.1 级联恒压控制的实现
• 4.1.1 机侧PWM变流器开关函数描述和占空比描述
• 4.1.2 级联恒压控制的实现
• 4.2 考虑母线电压稳定性能的系统效率最优控制
• 4.2.1 母线电压稳定性分析
• 4.2.2 考虑母线电压稳定性能的效率最优控制
• 4.3 仿真和实验结果分析
• 4.3.1 仿真结果分析
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高可靠性分布式直流并网变流器电压解耦补偿优化控制
• 5.1 系统可靠性影响因素与宽输入范围下的最大风能捕获
• 5.1.1 直流电网电压跌落对系统可靠性的影响
• 5.1.2 宽输入范围下的最大风能捕获分析
• 5.2 基于电压解耦补偿优化控制的直流恒压并网
• 5.2.1 系统多状态运行模式分析
• 5.2.2 基于动态电压解耦补偿优化的直流恒压并网
• 5.3 仿真和实验结果分析
• 5.3.1 仿真结果分析
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 变流器样机工程设计与实现
• 6.1 变流器主电路设计
• 6.1.1 功率模块的选择
• 6.1.2 驱动电路的设计
• 6.2 变流器控制电路设计与实现
• 6.3 软件设计与实现
• 6.3.1 机侧PWM变流器软件设计
• 6.3.2 直流斩波电路软件设计
• 6.3.3 整机优化算法的程序设计
• 6.4 综合实验平台
• 6.5 变流器样机整体实验与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢