一种用于双馈风力发电机的新型统一电能质量调节器研究

摘要

随着风电大规模发展，风电装机容量占比逐步提高，其中技术成熟、成本较低的双馈机型占有较大市场份额。电网电能质量问题，尤其是电压跌落，将对双馈机组的运行造成较大影响，甚至脱网。这将成为电力系统安全稳定运行的较大隐患。
　　为减小电压谐波、电压跌落与骤升、电压不平衡等电能质量问题对双馈电机(DFIG)风电系统的影响，本文提出一种应用于双馈风电系统的九开关型统一电能质量调节器(UPQC)方案。九开关变换器是背靠背变换器的演化结构，通过开关管的共用关系将原来的十二个开关管减少为九个。一定程度上减小了驱动电路、保护电路的复杂程度，提高了变换器的功率密度。通过合理的驱动脉冲调制方法，可以实现两个输出端口的独立控制。UPQC方案以电压补偿的方式实现DFIG柔性故障穿越，暂态性能优良，同时可对谐波电压和谐波电流进行治理，功能全面，设备利用率高。
　　本文研究了九开关变换器由于共用开关元件而造成的制约关系，在此基础上设计两通道可以独立控制的调制方法；以九开关变换器为换流电路，确定含有双馈机组的UPQC拓扑结构；在对设备电压、电流补偿单元运算电路建模的基础上，给出相应的控制策略；按照电网工况，设定谐波电流补偿、轻度电压补偿、重度电压补偿三种工作模式，优化UPQC的运行方案；最后，通过仿真和试验验证了所提方案的可行性。文中为解决九开关变换器直流侧电压偏高的问题，提出了优先保障重要功能的动态电压调制比分配方案。该方案依据电网电压工况，动态分配用于电压补偿侧和电流补偿侧的调制比限幅，整体提高了直流侧电压利用率，仿真分析证明了该方法的有效性。最后的试验环节，包含关于九开关变换器驱动脉冲产生、死区配置、九开关IGBT驱动的研究，探究了九开关变换器在工程中应用的方法。
　　研究结果表明九开关型UPQC可以有效治理电压、电流谐波，消除电压偏差与相位跳变，显著提高了DFIG机端电能质量，使机组可在多种故障电压工况下实现柔性故障穿越。

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 双馈风电系统低电压穿越研究

1.3 统一电能质量调节器及九开关变换器研究发展

1.4 论文主要内容与结构

第二章 九开关调制方法设计与系统拓扑结构分析

2.1 引言

2.2 九开关变换器拓扑结构及驱动逻辑

2.3 系统拓扑结构设计

2.4 电压故障工况能量流动分析

2.5 本章小结

第三章 九开关UPQC数学模型推导及控制方法研究

3.1 引言

3.2 电压与电流参数检测

3.3 九开关UPQC建模与控制

3.4 工作模式设计

3.5 动态调制比限幅设计

3.6 本章小结

第四章 多种电压工况下仿真验证

4.1 引言

4.2 仿真模型

4.3 故障电压工况下补偿结果验证

4.4 本章小结

第五章 九开关UPQC试验验证

5.1 引言

5.2 试验系统设计

5.3 电压跌落试验验证

5.4 本章小结

总结与展望

全文总结

研究展望

参考文献

致谢

读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果