永磁直驱风力发电半准Z源变流系统关键技术研究

摘要

风力发电是我国重要的能源战略部署。大力发展风力发电是保障能源安全、应对气候变化、实现节能减排的必由之路，是我国抢占新一轮全球能源变革和经济科技竞争制高点的重要举措。变流装置是风力发电系统中的核心装置，它不仅直接影响风力发电系统的可靠性和稳定性，还关系到整个系统的效率和成本。
　　与传统电压型PWM逆变器相比，电压型阻抗源逆变器具有允许逆变桥臂直通、单级控制等优势。将阻抗源逆变器应用于永磁直驱风力发电变流系统为进一步提高并网可靠性和降低系统成本提供了一种新的思路。本文以永磁直驱风力发电阻抗源变流系统为研究对象，依托国家自然科学基金项目“电网故障下Z源逆变器直驱永磁风电系统的并网控制”(51377050)，采用理论分析、软件仿真和实验验证相结合的研究方法，主要在新型阻抗源逆变器拓扑、发电机侧整流装置输入功率因数校正、新型阻抗源网络纹波抑制和电网不对称故障下新型阻抗源永磁直驱风力发电系统的控制策略等方面进行了研究，具体内容如下：
　　本文提出了一种适用于永磁直驱风力发电系统的新颖三相电压型半准Z源逆变拓扑，从直通和非直通两个状态详细分析了三相电压型半准Z源逆变器的稳态工作原理，推导了半准Z源逆变器升压因子和直通占空比的关系，得出半准Z源网络输出电压平均值实际上就是半准Z源网络电容电压的稳态值。讨论了不同调制策略下三相电压型半准Z源逆变器的电压增益、开关管电压应力和采用六段式升压SVPWM策略下的开关管电流应力。建立了半准Z源网络的小信号模型，推导了直流输入电压、直通占空比到阻抗源网络电感、阻抗源网络电容的传递函数，绘制其零极点轨迹，分析了阻抗源网络电感和阻抗源网络电容变化时对系统动态性能的影响。最后实现了半准Z源永磁直驱风力发电系统的全风速功率控制。
　　由于阻抗源直驱永磁风力发电系统整流侧常采用三相不可控整流器。由此产生的发电机定子电流谐波不仅会增大发电机的损耗和转矩脉动，还有可能引起发电机饱和以及失控等现象，严重影响了系统的效率和稳定性。针对以上问题，本文分析了传统永磁直驱风力发电阻抗源变流系统和永磁直驱风力发电半准Z源(Half Quasi-Z-Source, HQZS)变流系统的输入电流变化率，得出其发电机定子电流谐波产生机理。通过对比发现与传统准Z源永磁直驱风力发电变流系统相比，永磁直驱风力发电HQZS变流系统的定子电流谐波得到了有效抑制。随后分析了永磁直驱风力发电HQZS变流系统的输入功率因数，提出一种针对永磁直驱风力发电HQZS变流系统的周期性直通占空比控制方法，通过折中后的周期性直通占空比进一步提高了系统的输入功率因数。
　　由于阻抗源逆变器引入的阻抗源网络，包括阻抗源网络电感和阻抗源网络电容，增加了系统的体积和重量，不利于变流装置的安装、运输和节省成本。针对以上问题，本文分析了传统六段式升压 SVPWM下永磁直驱风力发电 HQZS变流系统阻抗源网络的输入电感电流纹波和阻抗源网络电容电压纹波的产生机理。通过对比发现和准 Z源永磁直驱风力发电变流系统相比永磁直驱风力发电 HQZS变流系统具有更低的阻抗源网络纹波。随后提出一种针对半准 Z源逆变器的改进六段式升压 SVPWM方法，分别以电感电流纹波最优和电容电压纹波最优为目标，验证了其对半准Z源网络电感电流纹波和电容电压纹波的抑制效果，该方法对半准 Z源网络电感电流纹波具有更加明显的抑制效果。
　　由于电网电压不对称故障下，半准 Z源永磁直驱风力发电系统的半准 Z源网络电容电压不仅会发生泵升，还会产生二倍频波动，不利于系统的可靠性运行。针对以上问题，本文以并网电流三相对称为控制目标，分析了并网功率二倍频波动的产生机理，通过在正负序同步坐标变换下电网正负序电压分别定向的方法，抑制了并网电流的负序分量。采用比例积分谐振控制器，使流入储能装置的功率无静差跟踪发电机输出功率和半准 Z源逆变器输出功率之差，提出了一种基于超级电容储能的永磁直驱风力发电HQZS变流系统不对称故障穿越策略，使电网电压发生不对称故障时，正序电流跟踪效果良好，并网电流对称，半准Z源网络电容电压不仅不会发生大幅泵升，还消除了其二倍频波动。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 永磁直驱风力发电变流系统的主要拓扑

1.3 阻抗源逆变器的研究现状

1.4 阻抗源网络逆变器和风力发电的结合

1.5 本文研究的主要内容

第2章 三相电压型半准Z源风力发电并网逆变器

2.1 引言

2.2 半准Z源逆变器的电路拓扑及基本工作原理

2.3 半准Z源逆变器的开关电压应力分析

2.4 半准Z源逆变器的开关电流应力分析

2.5 半准Z源网络小信号模型分析

2.6 半准Z源永磁直驱风力发电系统的全风速功率控制

2.7 小结

第3章 永磁直驱风力发电半准Z源变流系统的输入功率因数校正

3.1 引言

3.2 输入电流变化率分析

3.3 高输入功率因数周期性直通占空比控制方法

3.4 仿真研究

3.5 实验研究

3.6 小结

第4章 永磁直驱风力发电半准Z源变流系统的阻抗源网络纹波抑制

4.1 引言

4.2 半准Z源网络输入电感电流纹波分析

4.3 基于改进六段式升压SVPWM的半准Z源网络输入电感电流纹波抑制

4.4 半准Z源网络电容电压纹波分析

4.5 基于改进六段式升压SVPWM的半准Z源网络电容电压纹波抑制

4.6 仿真研究

4.7 实验研究

4.8 小结

第5章 永磁直驱风力发电半准Z源变流系统在不对称电网故障下的运行与控制

5.1 引言

5.2 电网电压正负序定向矢量控制策略

5.3 基于超级电容储能的不对称故障穿越策略

5.4 仿真研究

5.5 实验研究

5.6 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间的主要科研成果

致谢