永磁风力发电直流侧谐波抑制的多脉波整流的研究

摘要

永磁风力发电机组性能优异，是当前变速风力发电机组的主要发展方向。随着风力发电机组功率等级的进一步提高，给永磁风力发电机组全功率变流器带来了新的机遇和挑战，尤其机侧谐波问题，更高量级的定子电流和电压，谐波和可靠性问题更加突出。永磁风力发电机常用的整流器为二极管整流器和电压型PWM整流器，二极管整流器成本低廉，可靠性高，但是机侧定子电流谐波含量大，功率因数低，机组转矩脉动大，而PWM整流器能够在单位功率因数运行，但数量众多的功率开关增加了整流器的成本和降低了系统的可靠性，尤其大功率永磁风力发电场合，全控型器件容量、价格的限制，单纯的提高器件的功率等级已经很难满足风力发电对变流器的要求。多脉波整流技术由于其拓扑简单，可靠性高，价格低廉且具有显著的谐波抑制效果等优点，成为大功率场合解决谐波问题的主要方法，为了满足永磁风力发电机组对机侧整流器发展的要求，进一步提高多脉波整流的谐波抑制能力，提高功率因数，本文将多脉波整流技术与直流侧谐波抑制技术相结合，做了以下的研究。
　　多脉波整流器不能完全消除定子电流低次谐波，对于高次谐波抑制效果不明显，且输出电压不可调，在常规的12脉波整流电路的基础上，研究了一种带三个Boost变换器级联的并联型18脉波整流器，分析了理想状态下直流侧有源功率因数校正的谐波抑制机理，利用开关函数法，推导了18脉波整流器输入电流与三个Boost变换器电感电流之间的函数关系，得到了整流器输入电流为正弦时所需要的Boost变换器的电感波形，并给出了可实现的近似线性Boost变换器输入电流波形，并进行了仿真验证。理论分析表明，当Boost变换器输入电流满足特定六倍频三角波的时候，使用三个Boost变换器可以有效抑制整流器输入电流波形，通过与传统的18脉波整流电路、有源功率因数校正的18脉波整流电路进行了仿真对比分析，结果表明，采用的直流侧有源功率因数校正的控制方法谐波抑制效果更加显著。
　　对于18、24、36等更多脉波数的整流电路，需要借助移相变压器产生多组移相电源，移相变压器和更多的二极管整流桥增加了系统的成本和体积，制约着多脉波整流电路在永磁风力发电系统中的应用和系统功率密度的提高，以及多脉波整流电路采用多组整流桥并联连接的方式，需要借助平衡电抗器，同时也不利于直流侧母线电压的提高，因此，研究了一种基于直流侧电流直接注入法的低谐波高功率因数运行的六相永磁同步发电机的串联型12脉波整流器，通过在两组整流桥输出侧并联可控电流源注入补偿电流以控制整流桥输出电流满足特定波形，借助六相永磁同步发电机的移相作用，使得定子合成电流接近正弦波，且能够实现六相永磁发电机高功率因数运行。仿真结果表明，所提出的串联型六相永磁风力发电机直流侧有源谐波抑制12脉波整流器，定子电流较补偿前，5th，7th谐波含量加倍，11th，13th等高次谐波显著消除，通过电机的移相作用，两定子电流5th，7th谐波相互抵消，定子合成电流谐波畸变率接近1％，具有较高的的功率因数。直流侧无需平衡电抗器，机侧无需工频变压器，减少了多脉波整流器磁性元件的体积和成本。使用六相永磁同步电机性能更优，满足大功率永磁风力发电的需要。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究目的和意义

1．2 谐波抑制技术概述

1．2．1 谐波标准

1．2．2 电能质量参数的定义

1．2．3 抑制谐波措施

1．3 国内外研究现状

1．3．1 多脉波整流技术

1．3．2 直流侧谐波抑制技术

1．3．3 多脉波整流器在风电中的研究

1．4 研究内容

2 多脉波线性整流器谐波抑制原理及谐波抑制方法

2．1 移相变压器

2．1．1 隔离变压器

2．1．2 自耦变压器

2．1．3 平衡电抗器

2．2 多脉波直流侧谐波抑制原理及谐波抑制方法

2．2．1 平衡电抗器的无源谐波消除法

2．2．2 主动式平衡电抗器谐波消除法

2．3 本章小结

3 基于输出电压可调的多脉波整流器

3．1 带Boost变换器的12脉波整流器

3．1．1 电路拓扑

3．1．2 Boost变换器电感电流理论分析

3．1．3 仿真验证

3．2 带Boost变换器的18脉波整流器

3．2．1 电路拓扑

3．2．2 18脉波整流器直流侧功率因数校正技术的研究

3．2．3 仿真验证

3．3 本章小结

4 直流侧电流直接注入法的12脉波PMSG整流器的研究

4．1 直流侧电流直接注入的并联型12脉波自耦变压整流器

4．1．1 拓扑结构

4．1．2 直流侧电流直接注入的谐波抑制方法

4．1．3 自耦变压器与PMSG的关系

4．1．4 仿真验证

4．2 直流侧电流直接注入的串联型12脉波六相PMSG整流器

4．2．1 拓扑结构

4．2．2 直流侧电流直接注入的谐波抑制的实现

4．2．3 仿真验证

4．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果