60°坐标系下直驱风电机组三电平PWM并网变流器的仿真研究

【摘要】：风能是绿色无污染的可再生能源之一，有着良好的发展前景，世界各国越来越重视风能的利用与开发。目前，主流的风电机组有双馈式风电机组和永磁直驱式风电机组。在永磁直驱式风电机组中，风机直接驱动永磁同步发电机的转子；与双馈式风电机组相比，转速低、极数多，结构上省去了升速齿轮箱，具有更高的可靠性，且降低了噪声，维护成本更低，近几年发展势头强劲。风电并网变流系统是将风力发电机侧频率与电压均不恒定的电能变换成恒频、恒压的交流电，然后送入电网，同时还可以改善对电网的谐波与系统的功率因数，是风力发电系统中不可或缺的部分。随着风电机组单机容量的逐步提高，并网变流技术也是风力发电技术的关键环节，在很大程度上影响了风电机组单机扩容的速度与并网风电的质量。 本文主要围绕2MW永磁直驱式风力发电机组的变流技术展开讨论，基于三电平网络拓扑结构对机侧整流器和网侧逆变器的SVPWM控制策略进行了对比探讨，分析了电容中点电位不平衡的原因与解决方法，设计了网侧变流器的LCL滤波器，通过仿真验证了模型和控制策略的正确性。 论文首先介绍了风力发电的背景与意义，并对风力发电技术的发展现状与趋势进行了阐述，并对目前主要的几种永磁直驱式风力发电机组变流系统的结构与特点进行了分析。随后，对直驱式风力发电系统的结构与各主要部分的工作原理进行了详细介绍；分析了风力机的功率特性并建立了风力机和永磁直驱同步发电机的数学模型。介绍了三电平PWM并网变流系统的主电路结构及其特点，重点分析了三电平PWM并网变流系统的控制策略，详细介绍了基于60°坐标系的SVPWM算法，并与传统的三电平SVPWM算法进行了对比；通过分析电容器中点电位不平衡的原因引用了一种中点电位的控制方法；为了提高并网电能的质量，对网侧的LCL滤波器进行了设计。最后,结合2MW永磁直驱式风电机组的各项参数，在Matlab/Simulink软件中建立了永磁直驱风力发电系统的仿真模型；在给定的最大平均风速下，对两种SVPWM控制算法的仿真结果进行了对比分析，体现了该模型较好的动态特性并验证了基于60°坐标系的SVPWM算法的有效性，具有一定的工程应用价值。 【关键词】：永磁直驱 三电平变流 SVPWM60°坐标系 LCL滤波器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究风力发电的背景和意义10-11
• 1.2 风力发电技术发展现状与趋势11-13
• 1.2.1 风力发电技术发展现状11-12
• 1.2.2 风力发电技术发展趋势12-13
• 1.3 目前主要的永磁直驱式风力发电机组变流系统13-17
• 1.3.1 不控变流系统13-15
• 1.3.2 不控整流与 DC/DC 变换系统15
• 1.3.3 双 PWM 控制变换系统15-16
• 1.3.4 功率器件直接串联大功率变换器的系统16
• 1.3.5 多电平变换系统16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-18
• 第2章 永磁直驱风力发电系统18-27
• 2.1 永磁直驱风力发电机组的基本结构18-21
• 2.2 风力机的模型21-25
• 2.2.1 风力机的功率特性21-23
• 2.2.2 风力机数学模型23-25
• 2.3 永磁直驱同步发电机组的系统模型25
• 2.4 直驱式风力发电机组的控制原理25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 直驱式风力发电机组变流系统结构及控制策略27-44
• 3.1 三电平 PWM 并网变流系统主电路结构27-28
• 3.2 三电平 PWM 并网变流器的控制策略分析28-39
• 3.2.1 SVPWM 技术原理28
• 3.2.2 三相静止坐标系与两相静止坐标系的转换28-30
• 3.2.3 传统三电平 SVPWM 算法30-35
• 3.2.4 基于 60°坐标系的 SVPWM 算法35-38
• 3.2.5 两种算法对比分析38-39
• 3.3 电容器中点电位的控制39-40
• 3.3.1 中点电位不平衡的原因39
• 3.3.2 中点电位控制方法39-40
• 3.4 网侧 LCL 滤波器参数的设计40-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 直驱风电三电平 PWM 并网变流系统建模与仿真44-56
• 4.1 三相电压型 PWM 整流器直接功率控制44-46
• 4.1.1 直接功率控制算法44-45
• 4.1.2 机侧整流器控制策略45
• 4.1.3 网侧逆变器控制策略45-46
• 4.2 直驱风电三电平 PWM 并网变流系统仿真与分析46-55
• 4.2.1 机侧整流器仿真及分析46-52
• 4.2.2 网侧逆变器仿真及分析52-55
• 4.3 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-62
• 致谢62-63
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录63-64
• 附录 B 攻读学位期间所参与的研究项目64

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