三电平中压风电变流器的研究

【摘要】：随着人类社会的进步,生产力的发展,人类与自然之间的矛盾也逐步加剧,能源逐步成为制约社会进步的主要问题之一。而风能作为新能源的代表,资源潜力大,清洁无污染,近年来越来越受到世界各国的重视。在众多的风电技术中,直驱式全功率风力发电技术将成为今后海上风电场的主流技术。 由于海上风电机组的功率规模一般都在多MW级,因此对全功率变流器技术提出了新的要求。若采用传统低压电机加低压变流器方案,则电流过大引起的损耗将会成为限制风机容量增加的瓶颈,同时,系统功率等级也受电力电子器件电流等级的限制,若采用低压变流器并联拓扑,又会出现诸如环流,效率等问题。为突破这一瓶颈,唯一的出路就是提高系统的电压等级。 中压风电变流技术能够有效减小电流应力,提高系统效率和可靠性,将中压变流技术引入到风力发电系统即为本文的研究重点。本文从中压变流技术的拓扑入手,对各种拓扑进行了对比,最终选取了三电平二极管中点箝位式变流器作为重点研究对象,对其控制算法进行了详细分析。并在此基础上提出了一种基于DSP+FPGA数字控制平台的三电平中压风电变流器设计方案,制作了实验室样机进行了试验验证。 本文总体分为四个部分:首先对风力发电技术和中压变流技术进行综述,其次,对机侧和网侧变流器分别进行数学建模,对矢量控制算法进行分析,针对三电平拓扑的调制算法进行了详细研究。之后对系统的软硬件进行设计,包括主电路元件参数设计,数字控制平台设计,以及高压IGBT驱动设计。最后,本文搭建了100KW的实验室样机,试验验证三电平中压风电变流器方案的可行性。 【关键词】：中压风力发电系统 三电平中点箝位式变流器 FPGA 高压IGBT驱动
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 第一章 绪论6-17
• 1.1 课题研究背景6-7
• 1.2 风力发电机组的分类7-9
• 1.2.1 双馈电机风力发电技术7-8
• 1.2.2 全功率变流器风力发电技术8-9
• 1.3 中压变流器发展现状9-15
• 1.3.1 单元串联型拓扑9-11
• 1.3.2 二极管中点箝位型变流器11-12
• 1.3.3 飞跨电容箝位型多电平技术12-13
• 1.3.4 有源嵌位式NPC13-14
• 1.3.5 MMC 模块化多电平变流器14-15
• 1.4 本章小结15-17
• 第二章 三电平中压风电变流器的控制策略17-37
• 2.1 网侧变流器的数学模型和矢量控制算法17-20
• 2.2 永磁同步电机的数学模型和矢量控制算法20-23
• 2.3 三电平NPC 的原理和调制策略23-37
• 2.3.1 正弦波PWM 调制算法23-26
• 2.3.2 三电平NPC 空间矢量调制26-32
• 2.3.3 三维空间矢量调制算法32-37
• 第三章 中压风电变流器的硬件设计37-59
• 3.1 系统框架37-38
• 3.2 主电路元件设计38-40
• 3.2.1 电感设计38-40
• 3.2.2 直流侧电容设计40
• 3.3 数字控制平台的软硬件设计40-55
• 3.3.1 DSP 的软硬件设计42-48
• 3.3.2 FPGA 的软硬件设计48-55
• 3.4 高压IGBT 驱动设计55-59
• 第四章 样机实验结果59-65
• 4.1 网侧变流器实验60-62
• 4.2 机侧变流器实验62-65
• 总结与展望65-66
• 硕士期间取得的研究成果66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71

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