基于PEBB模组的风电变流器模块化研究

【摘要】：风电场大都位于交通不便的偏远地区或海上，工作环境恶劣使得风电变流器易损坏且难于维护。针对该问题，该文提出一种新型的变流器智能模块化技术，即PEBB（Power Electronic Building Block，电力电子模块）模块化技术。该技术使得变流器性能更稳定、体积更紧凑，易于现场快速更换，提高风机利用时效；同时赋予其在线智能故障诊断功能，该功能使得变流器模块的工作状况能够被及时掌握，发生故障的模块能够被准确定位并及时更换，大大提高了变流器的可维护性。针对该课题做了如下研究： 首先研究了基于PEBB模组的整个变流系统。针对该系统分别建立了变流器的数学模型，并给出相应的控制策略；此后根据给定输入电压、输出功率等参数，设计了变流器主电路器件参数，包括机侧滤波器、网侧滤波器、直流电容、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）模块等。 其次对模组中IGBT并联关键技术做了深入研究，对并联IGBT模块间存在的均流问题进行了详细研究。分析了不同因素对其动静态均流的影响，通过充分的实验验证了模块并联均流技术的可行性。 然后对PEBB模组及模组并联进行了详细的研究。确定了单个模组和模组并联的拓扑结构，开发了模组中底层控制系统，重点分析了模组并联间的环流问题并对比了环流抑制方案。用MATLAB/Simulink搭建了不同方案下模组的仿真模型，证实了理论分析的正确性。采用仿真得出的最合理方案搭建实验平台，实验验证了方案的可靠性和正确性。 最后通过调整PEBB模组的结构设计进行了热优化研究，计算了PEBB模组内发热部件的热功耗，包括IGBT模块、均流电感及直流电容等。根据计算得出的数据，搭建不同方案的ICEPAK仿真模型，对其热流量进行后处理分析，确定较为优化的结果。 【关键词】：风电变流器 PEBB模块化技术 IGBT模块并联方案 PEBB模组并联方案 ICEPAK热优化
【学位授予单位】：上海电机学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 课题来源11
• 1.3 风电变流系统11-13
• 1.3.1 风力发电系统11-12
• 1.3.2 变流器结构拓扑12-13
• 1.4 PEBB 模组研究现状13-17
• 1.4.1 IGBT 扩容结构分析13-15
• 1.4.2 PEBB 模组拓扑及其并联分析15-16
• 1.4.3 PEBB 模组热分析16
• 1.4.4 国内外研究现状16-17
• 1.5 本文主要研究内容17-19
• 第二章 变流器模型建立19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 变流器拓扑结构19
• 2.3 变流器系统建模19-24
• 2.3.1 基于三相 ABC 静止坐标系下的网侧模型建立20-22
• 2.3.2 基于同步旋转 dq 坐标系下的网侧模型建立22-24
• 2.4 变流器控制策略24-27
• 2.4.1 网侧变流器控制策略24-25
• 2.4.2 机侧变流器控制策略25-27
• 2.5 变流器主电路参数设计27-30
• 2.5.1 网侧 LCL 滤波器的设计27-28
• 2.5.2 机侧滤波器设计28-29
• 2.5.3 功率元件 IGBT 模块的选型29
• 2.5.4 直流侧母线电容的设计29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 IGBT 模块并联拓扑方案研究31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 静态均流方案研究31-34
• 3.2.1 饱和导通压降对静态电流的影响31-32
• 3.2.2 直流母排对静态电流的影响32-33
• 3.2.3 交流出线端引线对静态电流的影响33-34
• 3.3 动态均流方案研究34-37
• 3.3.1 栅极电阻对动态电流的影响34-35
• 3.3.2 驱动电路对动态电流的影响35-36
• 3.3.3 驱动方式对动态电流的影响36-37
• 3.4 采用均流措施对静动态均流特性的影响37-39
• 3.5 实验验证39-44
• 3.5.1 实验测试平台39-40
• 3.5.2 交流出线端影响静态电流实验40-41
• 3.5.3 驱动方式影响动态电流实验41-43
• 3.5.4 均流措施影响均流实验43-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第四章 PEBB 模组及模组并联方案研究45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 基于 PEBB 模组的变流系统分析45-46
• 4.3 模组拓扑结构46-47
• 4.3.1 单个 PEBB 模组拓扑结构46
• 4.3.2 模组与模组间的并联拓扑46-47
• 4.4 底层控制系统47-49
• 4.4.1 底层控制系统结构47-48
• 4.4.2 在线智能故障诊断48-49
• 4.5 PEBB 模组并联方案研究49-54
• 4.5.1 环流定义49-50
• 4.5.2 模组直流侧并联方式对环流的影响50-53
• 4.5.3 模组交流侧均流电感对环流的影响53-54
• 4.6 仿真验证54-57
• 4.7 实验验证57-58
• 4.8 本章小结58-59
• 第五章 PEBB 模组的热设计59-69
• 5.1 引言59
• 5.2 热设计相关理论59-61
• 5.2.1 热传递方式59
• 5.2.2 热参数59-60
• 5.2.3 冷却方式60-61
• 5.3 器件热损耗分析61-64
• 5.3.1 IGBT 模块损耗计算61-63
• 5.3.2 均流电感的损耗计算63
• 5.3.3 直流电容损耗计算63-64
• 5.4 ICEPAK 仿真建模64-68
• 5.4.1 建立几何模型64-65
• 5.4.2 网格划分65
• 5.4.3 后处理分析65-68
• 5.5 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 攻读学位期间取得的研究成果76

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