中压风电变流器的功率电路设计

【摘要】：风力发电目前呈现出单机功率不断增大、由陆地向海上发展的趋势,大功率海上风力发电成为世界各国风电产业争先研究和发展的重点。变流器是风电系统的重要组成部分,在中压大功率风电变流器的设计中,为了结构紧凑、维护方便,变流器功率电路的设计通常采用功率模块的结构形式,功率模块的设计水平,直接决定了变流器性能的好坏。目前,在风电变流器控制策略方面的研究已经相对成熟,而有关海上用中压大功率风电变流器的主电路和功率电路的工程化设计方面还比较欠缺,尤其是在散热以及叠层母排方面,因此本文结合中压变流器的拓扑结构和控制策略,对功率电路的散热和叠层母排设计开展了研究工作。首先从多电平变流器的拓扑结构、控制策略以及功率电路的散热设计和母排设计几个方面对中压大功率风电变流器的发展现状做了阐述。接着分析了NPC三电平变流器的工作原理和机网侧变流器采用的控制策略；对3MW中压风电变流器主电路的关键部件进行了参数设计,通过Matlab/Simulink仿真,验证了控制策略以及设计参数的选取是合理的。针对中压风电变流器功率电路的水冷散热设计,在分析了功率器件的损耗计算方法以及功率器件内部热源与外界环境之间的热流路径的基础上,设计了两种流道结构的水冷散热器,并用Icepak对两种设计方案的散热性能进行了仿真验真和性能对比。通过小功率变流器的热仿真与温升实验间接验证了大功率变流器散热设计方法的正确性。在叠层母排设计方面,分析了叠层母排的低杂散电感特性以及影响母排杂散电感大小的因素,总结了考虑死区时,NPC三电平变流器换流时产生关断过电压的四种换流回路,在此基础上针对中压风电变流器的功率电路设计了两种叠层母排方案,并用Ansoft Q3D提取了两种母排的杂散电感值。通过小功率变流器的有限元仿真与双脉冲实验间接验证了大功率变流器叠层母排设计方法的正确性。 【关键词】：中压变流器 功率电路 热仿真 杂散电感 叠层母排
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 选题的背景及意义12-13
• 1.2 大功率风电变流器发展研究现状13-17
• 1.2.1 拓扑结构研究13-15
• 1.2.2 控制策略研究15-17
• 1.3 功率电路散热设计与应用现状17-18
• 1.4 功率电路母排设计与应用现状18-19
• 1.5 本文的主要内容19-22
• 2 三电平全功率变流器的控制策略22-30
• 2.1 NPC三电平PWM变流器的工作原理22-24
• 2.2 电网侧变流器的控制策略24-26
• 2.2.1 电压型PWM变流器的数学模型24-25
• 2.2.2 电网电压定向矢量控制25-26
• 2.3 电机侧变流器的控制策略26-28
• 2.3.1 永磁同步电机的数学模型26-27
• 2.3.2 转子磁链定向矢量控制27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 中压风电变流器的主电路设计30-42
• 3.1 中压风电变流器的主电路结构30-31
• 3.2 功率电路组件设计31-33
• 3.2.1 IGBT模块与箝位二极管的选择31-32
• 3.2.2 中间直流电容设计32-33
• 3.3 电机侧DU/DT抑制电路的设计33-35
• 3.3.1 电压的反射过程33-34
• 3.3.2 du/dt抑制电路参数设计34-35
• 3.4 电网侧LCL滤波器的设计35-38
• 3.4.1 LCL滤波器参数选定的限定条件35-36
• 3.4.2 LCL滤波器参数设计36-38
• 3.5 中压风电变流器的仿真验证38-41
• 3.5.1 稳态仿真39-41
• 3.5.2 动态仿真41
• 3.6 本章小结41-42
• 4 NPC三电平变流器功率电路的散热设计42-64
• 4.1 功率开关器件的损耗计算42-46
• 4.1.1 功率器件的损耗计算方法42-44
• 4.1.2 NPC三电平变流器损耗计算44-46
• 4.2 热流路径分析46-47
• 4.3 中压变流器功率电路水冷板方案设计47-52
• 4.3.1 功率器件的损耗和温升计算47-48
• 4.3.2 功率器件在水冷板上的布置48-49
• 4.3.3 水冷板流道方案设计49-51
• 4.3.4 水冷板材质与冷却剂选择51-52
• 4.4 水冷板方案的热仿真52-60
• 4.4.1 仿真软件Icepak介绍52-53
• 4.4.2 水冷板仿真模型建立53-54
• 4.4.3 边界条件设置及网格划分54-56
• 4.4.4 仿真结果56-60
• 4.5 小功率变流器散热仿真与温升实验60-62
• 4.6 本章小结62-64
• 5 NPC三电平变流器功率电路的母排设计64-86
• 5.1 叠层母排的工作机理64-67
• 5.1.1 母排的杂散电感分析64-66
• 5.1.2 母排的软件仿真66-67
• 5.2 母排杂散电感影响因素67-70
• 5.3 NPC三电平变流器叠层母排方案设计70-77
• 5.3.1 考虑死区的换流路径分析70-74
• 5.3.2 叠层母排减小杂散电感的前提条件74-75
• 5.3.3 中压变流器叠层母排设计方案75-77
• 5.4 叠层母排杂散电感的软件提取77-80
• 5.5 小功率变流器有限元仿真与双脉冲实验80-85
• 5.6 本章小结85-86
• 6 结论与展望86-88
• 参考文献88-92
• 附录A92-94
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果94-98
• 学位论文数据集98

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