永磁直驱风力发电变流器的并联运行研究

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近年来永磁直驱风力发电技术得到了迅速发展,很多单机容量已接近10MW,由于永磁直驱风力发电系统通过全功率变流器实现并网运行,受现代电力电子器件容量的限制,如此大的能量很难通过单套变流器输送到电网。为了突破这一限制,并联技术逐渐成为研究热点,为此,本文对永磁直驱风电变流器的并联运行进行了深入研究,具体包括以下几个方面:为了解决变流器并联运行中的环流问题,提出了共直流母线并联型永磁直驱风电变流器的环流控制策略。分别在三相静止坐标系下和同步旋转坐标系下建立了共直流母线并联型拓扑的平均模型,分析了其存在的环流问题,阐明了产生环流的根本原因,证明了机侧环流和网侧环流是互相独立的,因此机侧环流和网侧环流的抑制可以独立进行。设计了变零矢量对称SVPWM调制策略,在不增加硬件开销的基础上抑制了机侧环流和网侧环流,解决了不均流、波形畸变、三相不对称等问题,实现了永磁直驱风电变流器的共直流母线并联运行。针对数字控制中存在的环路延时问题,提出了共直流母线并联型风电变流器的电流环拓宽策略。设计了共直流母线并联型拓扑机侧变换器和网侧变换器的电流解耦控制策略,得到了统一的电流环传递函数。分析了电流环拓宽策略的原理,实现了一个开关周期内的两次采样和两次占空比更新,在根本上缩短了采样及控制延时。通过电流环传递函数和伯德图证明了电流环带宽频率与总惯性时间常数成反比,在开关频率不变的前提下,将电流环带宽拓展为典型时序的2.67倍,提高了系统的性能,实现了高开环增益下系统的稳定运行。为了实现永磁同步发电机的无位置传感器矢量控制,建立了基于共直流母线并联型拓扑的永磁同步发电机模型,给出了同步旋转坐标系下的等效电路,进而设计了滑模观测器。搭建了1.5MW共直流母线并联型永磁直驱风电平台,结合变零矢量对称SVPWM调制策略、电流环拓宽策略以及无位置传感器矢量控制,实现了1.5MW永磁同步发电机的满功率并网发电,为大功率永磁直驱风电变流器的生产奠定了基础。由于共直流母线并联型永磁直驱风电变流器拓扑环流阻抗较小、环流控制相对复杂,提出了独立直流母线并联型永磁直驱风电变流器的环流控制策略。系统由多组结构相同的背靠背型PWM变流器相互并联而组成,且直流母线相互独立。通过平均模型分析了环流路径,给出了机侧环流和网侧环流的耦合关系,阐明了独立直流母线并联型拓扑产生环流的根本原因,证明了其环流阻抗大于共直流母线并联型拓扑的环流阻抗,更有利于环流的抑制。基于SPWM调制方式设计了环流抑制器,抑制了环流,并分别给出了机侧变换器和网侧变换器的控制策略,实现了多组直驱型风电变流器的独立直流母线并联运行。对高环流阻抗并联拓扑和并网电流谐波进行了研究。针对采用普通三相电抗器时环流阻抗较小的问题,提出了采用耦合电抗器的高环流阻抗并联拓扑,得出了去耦等效电路,分析了耦合电抗器自主均流的原因,给出了耦合电抗器的短路电流要求,证明了耦合电抗器可以有效提高环流阻抗,有利于对环流进行抑制,提高了系统的运行性能。为进一步提高并网电流质量,分析了并联方式、载波移相控制等对并网电流谐波的影响,证明了系统级并联方案的合理性,并通过载波移相控制增加了等效开关频率,降低了并网电流谐波含量,提高了并网电流品质。
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