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直驱式永磁风力发电系统多重化功率变换器运行控制

作　者: 王志强
导　师: 夏长亮
学　校: 天津大学
专　业: 电机与电器
关键词: 风力发电系统永磁同步发电机多重化Boost变换器线电压级联型变换器等效开关电路模型均压补偿控制
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着直驱式永磁风力发电系统功率等级的不断提升，采用传统的功率器件以及拓扑结构构成的功率变换器，已难以满足大功率永磁风力发电系统的需求，这也成为制约风力发电技术进一步发展的重要原因之一。多重化技术是一种将原有的拓扑结构通过并联、串联或者级联等方式重构出新的变换器拓扑形式，从而降低单个电路单元所承担的传输功率，提高系统整体的功率等级的变流技术。本文从电机侧和网侧两个方面入手，针对多重化变换器拓扑结构与控制策略进行了重点分析与研究。由二极管整流单元与Boost斩波电路组成的AC/DC变换器，因其具有成本低、可靠性高、控制简单等特点而被广泛应用于直驱式永磁风力发电系统。本文首先分析了该结构作为电机侧变换器时的运行特点。由分析可知，由于二极管整流单元的存在导致定子电流发生畸变，且受Boost斩波变换器电路结构的影响，发电机的调速范围较窄。因此，本文结合多脉波整流技术，利用其可提供多个独立直流电源的特点，提出一种级联方式可切换型Boost变换器。该变换器与传统的采用固定方式连接构成的多重化Boost斩波变换器相比，不仅降低了单个电路单元传输功率的等级，而且可以通过改变整体变换器的运行模式，扩展了调速范围。文中详细分析了该变换器的数学模型与运行原理，给出了保证系统调速范围连续性的限定条件，提出了一种适用于该变换器的发电机转速控制策略，并将其应用于一台永磁风力发电系统样机进行了实验验证。结果表明，采用该电路作为永磁风力发电系统电机侧变换器时可有效扩展调速范围。本文介绍了一种以传统两电平PWM变换器为单元，通过线电压级联方式构成的多重化功率变换器作为直驱式永磁风力发电系统的网侧变换器。由于实际的风电系统可提供的独立直流电源数量有限，文中以三重化线电压级联型变换器作为主要研究对象。文中首先提出了一种适用于该拓扑结构的载波移相空间矢量PWM调制方法。由于多重化功率变换器是由多个单元组合而成，若针对每个单元独立控制则不仅增加了系统硬件成本和算法的复杂程度，而且不易于实现闭环控制。因此，本文从多重化变换器的外电路特性出发，通过分析其运行方式，将其等效为一个开关电路模型，并针对该等效模型设计控制系统。所提出的控制策略不仅可以保证多重化变换器整体传输功率的稳定，而且通过增加相应的补偿控制算法，解决了当系统中各模块传输功率不均衡时，其所对应的直流侧电容电压不均等与交流侧线电流三相不对称等问题。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-22
  1.1 直驱式永磁风力发电系统运行特性  8-10
  1.2 直驱式永磁风力发电系统功率变换器主要拓扑形式  10-13
  1.3 基于多重化技术的直驱式永磁风力发电系统功率变换器研究现状  13-20
    1.3.1 电机侧变换器研究现状  13-16
    1.3.2 网侧变换器研究现状  16-20
  1.4 本文主要研究内容  20-22
第二章直驱式永磁风力发电系统电机侧级联式 Boost 变换器数学建模  22-35
  2.1 拓扑结构介绍  22-23
  2.2 系统数学建模  23-34
    2.2.1 直驱式永磁风力发电机数学模型  23-25
    2.2.2 18 脉波整流环节数学模型  25-28
    2.2.3 级联方式可切换型 Boost 变换器数学模型  28-34
  2.3 本章小结  34-35
第三章直驱式永磁风力发电系统电机侧级联式 Boost 变换器运行控制  35-60
  3.1 级联方式可切换型 Boost 变换器运行模式分析  35-41
  3.2 系统调速范围连续性分析  41-43
  3.3 直驱式永磁风力发电系统转速控制  43-47
  3.4 实验结果分析  47-58
    3.4.1 转速范围对比实验  48-50
    3.4.2 不同运行模式下的永磁风力发电系统调速实验  50-55
    3.4.3 不同模式间切换的永磁风力发电系统调速实验  55-58
  3.5 本章小结  58-60
第四章传输功率均衡情况下网侧三重化线电压级联型变换器运行控制  60-71
  4.1 载波移相 SVPWM 调制方式  60-61
  4.2 传输功率均衡情况下等效开关电路数学模型  61-66
  4.3 基于等效开关电路数学模型的电压电流双闭环控制  66-67
  4.4 传输功率均衡情况下实验结果分析  67-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章传输功率不均衡情况下网侧三重化线电压级联型变换器运行控制  71-108
  5.1 传输功率不均衡情况下运行分析  71-73
  5.2 传输功率不均衡情况下等效开关电路数学模型  73-89
  5.3 基于等效开关电路数学模型的改进的双闭环 PI 控制策略  89-97
  5.4 基于等效开关电路数学模型的改进的双闭环 PR 控制策略  97-99
  5.5 传输功率不均衡情况下实验结果分析  99-107
    5.5.1 电压电流双闭环控制实验  99-102
    5.5.2 改进的电压电流双闭环 PI 控制实验  102-103
    5.5.3 改进的电压电流双闭环 PR 控制实验  103-107
  5.6 本章小结  107-108
第六章总结与展望  108-110
参考文献  110-121
发表论文和参加科研情况说明  121-122
致谢  122

直驱式永磁风力发电系统多重化功率变换器运行控制

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