基于级联型多电平变流器的直驱式风力发电系统研究

摘要

我国可供开发的风能潜力非常巨大，风力发电拥有着雄厚的资源基础，风电的健康快速发展在我国能源发展战略中扮演着极为重要的角色。
　　 首先，本文简要叙述了全球和中国风力发电现状，对风力发电机组的发展趋势进行了分析，然后以整体运行效率和可靠性更高、需要全功率变流器进行电能转换的直驱式风电系统为背景，介绍了当前多电平变流技术在风力发电系统中的实际应用状况。
　　 其次，对目前多电平变流技术的三种基本拓扑在直驱式风电系统中的应用进行了对比，分析了各自的优缺点。在此基础上，本文引入了多相Y绕组永磁同步电机与级联型多电平变流器直接耦合，形成了一种新型的直驱式风电拓扑结构。系统使用与发电机Y绕组套数相同的三相PWM整流器进行整流，在调节发电机输出的无功功率的同时，为后续电路提供所需数量的稳定直流电源，再经由网侧级联H桥型多电平逆变器将电能转换成恒定频率的高品质交流电并入电网。
　　 再次，介绍了当前级联型多电平逆变器常用的几种PWM控制技术，将一种适用于级联型多电平逆变器的改进型空间电压矢量调制技术引入了风力发电系统，简化了复杂的电压矢量计算，提高了系统的实用性，并对改进的多电平SVPWM方法的正确性进行了推导论证。
　　 最后，基于Matlab/Simulink平台，针对级联型多电平变流器的开关调制进行了仿真研究，验证了改进的多电平SVPWM方法的有效性，并与载波移相PWM方法的仿真结果做了比较；构造了利用机侧PWM整流器稳定直流母线电压、网侧采用直接功率控制实现最大风能跟踪的系统控制策略，针对3MW直驱式风电系统的并网进行了相关仿真研究。仿真结果验证了这一并网控制策略的可行性和先进性，为下一步的研究和实践工作奠定了一定基础。