基于DC/DC的海上风电场直流接入功率变换器的研究

摘要

海上风电场因为具有很好的风能捕获能力及其发电连续性，逐渐受到了的海内外专家和学者的关注和研究。在海上风电场中，电能的汇集包含了直流汇集和交流汇集两种方式。其中拿直流汇集方式和交流汇集方式相比，有如下优点：直流方式进行电能汇集可以在海上风场中各个PMSG不完全一致时采用，而交流方式进行电能汇集必须要各PMSG完全同步；在电能进行直流汇集时，由于使用了带有高频升压变压器的DC/DC变换器和各个PMSG的最大功率技术，使整个系统的重量和体积得到了减小，效率得到了提高；直流汇集方式少用了一跟传输线等。所以直流汇集方式会成为海上风电场中电能汇集重要的发展和研究方向。
　　本文提出了一种基于DC/DC的海上风电场直流接入功率变换器。这种变换器主要用于海上永磁同步电机（PMSG）直接接入VSC-HVDC的功率变换系统中。该变换器包括三相三电平PWM整流器、单相DC/AC高频逆变器、单相二极管整流桥、高频变压器几个部分。其中可以将单相DC/AC高频逆变器、高频变压器、单相二极管整流桥三个部分封装成一个绝缘型的DC/DC子模块，将多个DC/DC子模块以输入并联输出串联方式连接，能够使输出电压升高。这种输入并联输出串联的结构具有高度模块化、易于补充、总功率大、总体积小、输出电压可以直接接入VSC-HVDC等优点。
　　本文深入分析了输入并联输出串联DC/DC变换器和DC/DC子模块的拓扑结构、工作模态，提出了子模块的控制策略和一种基于三相三电平PWM整流器的直流母线电压外环和各DC/DC子模块输出电压内环的协同控制策略。分析了各个DC/DC子模块的输出电容、变压器漏感等参数不平衡时各个子模块对应的波形差异，了解了子模块的输出电容和变压器漏感对风电系统的影响，讨论了相应的解决方法。理论分析了各独立接入VSC-HVDC传输系统的风力发电机组间的关系，建立了相应的等效电路模型，分析了其电路关系之后，得出了各机组独立接入并网DC/DC变换器互不关联的结论。使用MATLAB仿真平台，搭建了一台输出功率为2MW的PMSG仿真系统，验证了理论分析的正确性和有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 风力发电发展现状

1.3 论文的研究内容

第2章 基于DC/DC直流接入的风力发电系统

2.1 柔性直流输电系统

2.2 基于柔性直流输电的海上风电系统

2.3 基于DC/DC的直流接入海上风电场的变换器研究

2.4 本章总结

第3章 机侧PWM整流器及控制策略

3.1 PMSG运行分析及其控制

3.2 PWM整流器及其SVPWM调制

3.3 本章总结

第4章 DC/DC变换器电路及控制器的研究

4.1 DC/DC子模块变换器工作原理

4.2 IPOS型DC/DC变换器控制器研究

4.3 DC/DC子模块电容和漏感参数不平衡研究

4.4 两台PMSG并联接入VSC-HVDC研究

4.5 本章总结

第5章 基于DC/DC的海上风力发电系统的建模仿真

5.1 DC/DC变流系统建模

5.2 PMSG全功率运行

5.3 各DC/DC子模块参数不一致情形

5.4 风机转速突变情形

5.5 本章总结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参加的科研项目