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基于一种半直驱式风力发电装置的整流器研究

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导师姓名
吕征宇  张德华
学科专业
电力电子与电力传动
文献出处
浙江大学   2011年
关键词
晶闸管整流器论文  变拓扑整流器论文  风力发电论文  半直驱论文  电流峰值预测论文
论文摘要

风能是新兴的绿色能源。为了降低每千瓦时的发电成本,风力发电机组正朝着大功率方向发展,单机功率等级不断提高。快速提高的功率容量带来了新的机遇和挑战。本文对风力发电系统,主要侧重于机侧整流器部分,做了以下几个方面的研究和尝试。多个发电机与单级增速箱相结合的半直驱式替代永磁直驱装置,实现了发电机功率密度的提高和增速装置机械强度要求的降低。根据该装置特点,提出了新型整流器输出端串并联组合的多脉整流装置。由于机组多个发电机之间转速相同、输出端之间电气隔离,利用发电机输出交流电压的电角度不同和发电机之间电气角度的错位安装,整流器的输出电压串联叠加后,电压峰值脉波数增加,幅值变小,从而获得平稳的直流功率输出,降低滤波电容容量。多组整流模块并联扩容,并可以根据风速范围切入切出,提高变流器效率。为了克服现阶段IGBT器件对发电机输出端口电压和变流装置容量进一步发展的限制,在变拓扑柔性变流器理论的基础上,提出了具有宽电压输入范围的变拓扑晶闸管整流器。该整流器由两个晶闸管整流桥和包括二极管与开关的辅助电路组成。通过改变辅助电路中开关的状态,实现了两个晶闸管整流桥在串联和并联模式之间的动态切换:当风机转速比较低时,开关闭合,两个整流桥串联在一起,提高输入电压;当风机接近额定转速时,开关断开,两个整流桥并联在一起扩大功率容量。变拓扑整流器替代常用的三相六管PWM整流器或者不控整流加boost升压的二级串联整流器,整流侧完全采用晶闸管器件,使得电力电子器件不再是限制发电机输出电压等级和功率容量提升的瓶颈。工作过程中的动态结构切换是变拓扑变流器控制的核心问题,也是困扰变拓扑柔性变流器的难题。采用传统的PI控制时,虽然控制方法成熟,但是动态效果不理想,无法补偿变拓扑过程存在的电流过冲。新型电流峰值预测控制替代了传统方法用来消除拓扑切换过程的电流过冲,不但获得了切换过程中平滑的功率输出,而且取得快速的电流动态响应,提高了整流器抗谐波干扰能力。新的电流峰值预测控制方法基于交流电压伏秒积分的周期性变化。利用交流电压伏秒积分变化的周期性,晶闸管触发后,电感电流在本周期内将要到达的最大峰值可以根据上个周期的电压伏秒变化趋势做出预先判断。因此,预测模型只涉及直流侧电感上的电压伏秒积分与电流之间的关系,与负载无关,大大简化了控制计算,避免了以往预测控制中超越函数的求解。而且晶闸管的触发不再依赖电压相位信息,提高了抗谐波干扰能力。仿真和实验结果表明并行计算的两个电流峰值预测控制器成功实现了拓扑结构动态切换的平滑过渡,消除了电流过冲。说明变拓扑的变流器装置采用合理的控制策略,完全能够克服动态拓扑变化带来的不利影响,在拓扑切换的过程中仍保持平滑的功率输出。新型变拓扑结构的晶闸管整流器不能实现发电机的单位功率因数运行。但是六相双Y永磁同步发电机与变拓扑变流器配合使用时,发电机内部5、7次谐波磁势显著削弱,使得转子表面附加损耗和转子温升大大降低,因此,由于非正弦波形包含谐波所造成的发电机降额使用的情况显著得到改善。沉重的机舱通过细长的塔架支撑树立在半空中,是典型的欠阻尼系统,在受到风力作用将长时间前后振荡。采用多变量状态反馈扰动调节控制,对造成塔架振荡的风速扰动进行主动的变桨距调节,增加塔架阻尼,降低运行中塔架的机械应力和疲劳。

论文目录
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致谢

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 近年风力发电发展概况

1.2 风力发电机组技术现状和趋势

1.2.1 两种主要风机类型

1.2.2 单机容量的提高

1.3 存在的机遇和挑战

1.3.1 挑战1:增速装置可靠性与发电机功率密度

1.3.2 挑战2:电力电子器件容量

1.3.3 挑战3:塔架的机械应力

1.4 论文相关理论基础

1.4.1 变流器的预测控制

1.4.2 变拓扑柔性变流器

1.4.2.1 变拓扑柔性变流器理论

1.4.2.2 变拓扑变流器的关键技术

1.4.3 接有相控整流负载时六相双Y型同步发电机内部合成磁势

1.5 论文内容和章节安排

参考文献

第2章 变速变桨距风力发电机组的控制

2.1 功率捕获

2.1.1 额定风速以下的最大功率捕获

2.1.2 K值自适应追寻

2.1.3 恒定转速的PI控制

2.1.4 额定风速以上的变桨距转速控制

2.2 机械载荷的降低

2.2.1 塔架的前-后振动模型

2.2.2 转速状态空间反馈控制器

2.2.3 扰动状态观测器

2.2.4 设计步骤和结果

2.2.5 仿真实验结果

2.3 本章小结

参考文献

第3章 半直驱式风力发电的多脉整流器

3.1 多发电机的半直驱风力发电装置

3.2 晶闸管串接boost升压型整流器

3.2.1 交流电压锁相环

3.2.2 转速控制

3.2.3 发电机间功率均流

3.2.4 实验结果

3.3 三相单管型功率因数整流器

3.3.1 整流器的工作过程

3.3.2 工作过程矢量分析

3.3.3 归一化设计

3.3.4 实验验证

3.4 两种整流装置比较

3.5 本章小结

参考文献

第4章 晶闸管整流器的电流峰值预测控制

4.1 PI控制的晶闸管整流器

4.2 电流峰值预测控制策略

4.3 整流器特性分析

4.3.1 特性1:稳态时电感电流上升和下降过程

4.3.2 特性2:直流电感上的纹波幅值

4.3.3 特性3:可跟随的最大电流变化

4.4 控制策略的数字控制器实现

4.4.1 交流侧漏感Ls的影响

4.4.2 交流电压采样漂移的实时校正

4.4.3 比较器过零振荡的数字滤波

4.5 实验验证

4.5.1 稳态特性

4.5.2 动态特性

4.5.3 在谐波畸变电压下的运行

4.7 本章小结

参考文献

第5章 变拓扑晶闸管整流器为前端的风力发电变流装置

5.1 变拓扑晶闸管整流器

5.1.1 变拓扑晶闸管整流器的原型

5.1.2 新型变拓扑整流器电路结构

5.2 风力发电装置的控制策略

5.2.1 变拓扑晶闸管整流器的控制

5.2.2 拓扑结构切换点的选取

5.2.3 风力机控制策略

5.3 实验结果

5.3.1 稳态特性

5.3.2 动态特性

5.3.3 变拓扑结构切换

5.4 本章小结

参考文献

第6章 工程实践

6.1 整流器中的层叠母排

6.2 整流器的DSP数字控制器

6.3 机组的以太网通讯

6.4 机组运行状态监视

6.5 风力发电机组

第7章 结论与展望

7.1 论文主要研究成果

7.2 进一步研究展望

在校期间发表的论文和申请的专利

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