风电变流器网侧电压跌落分析及其控制策略的研究

摘要

在研究国外知名风电变流器整机厂商的主流产品时，我们发现风电变流器在完成并网回馈电流等常规工作的同时也要具备故障运行能力。从目前的参考文献可以看出，国外的变流器研究热点已经从电网对称性故障的运行能力转向了不对称性故障的运行能力。风电变流器在国产化的过程中也必须要具有低电压穿越、不对称故障下运行的能力和动态无功、有功功率的调节能力。
　　 本论文来源于1.5MW风电变流器的研制项目，主要研究内容是网侧数字化并网逆变器的开发。在项目开发的过程中完成了以下工作内容。
　　 详细分析电压跌落以及网侧电压不对称对并网逆变器造成的影响之后，发现传统的锁相环电路(PLL)是基于三相平衡电压或者单相电压设计的，无法在电压不对称的情况下正常工作。在电网电压正序检测器设计过程中本文引入了一种对电压波形畸变和不对称不敏感的PLL电路，并且进行了仿真验证。仿真结果表明这种PLL电路对不平衡三相电压正序分量的频率和相位有很好的锁定能力。电网正序检测器中数字滤波器是一个重要环节，在设计低通滤波器过程中采用了MATLAB辅助设计的方式，取得了理想的效果。
　　 对数字PWM逆变器两电平结构的数学模型进行了分析。为了使得并网变流器具有动态无功、有功功率的平滑调节能力，选用了有功电流、无功电流解耦的电流闭环控制结构。仿真结果表明，该种控制方式在电网电压对称情况下具有很好的输出波形和跟随能力，但是在电网不对称情况下输出电流波形发生畸变和不对称，不利于故障电网的恢复。为了解决上述问题，本文采用了抑制网侧负序电流分量的控制方案，仿真结果表明采用该方案后输出电流波形满足了正弦化及平衡化的要求。
　　 在主电路拓扑结构的选择过程中，对多电平结构和两电平结构的优缺点分别进行了比较。与两电平结构相比，多电平结构具有输出电压波形畸变小和器件电压应力小等优点，所以本文选用三电平结构作为主拓扑结构。控制策略选用的是同相载波层叠调制，并且利用DSP的EPWM模块进行了数字化的实现。
　　 采用数字化控制器必定会造成控制上的时间延迟和相位滞后，为了减小这一影响，本文采用了同步采样方式，有效地避免了采样过程中的数据混叠，减少了采样的时间延迟。
　　 主控芯片采用的是TI公司的32位浮点芯片TMS320F28335。在进行硬件电路设计过程中详细介绍了采样部分的设计方法。采用这一方法后采样部分的精度和抗干扰能力得到了显著提高。
　　 论文最后给出了样机实验结果，验证了所提出的控制策略的有效性，并且对所作的工作进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 风力发电在国内外的发展情况

1.2 直驱型风力发电机组研究现状

1.3 直驱型风力变流器机组中网侧逆变器的研究

1.4 国内外风电变流器的研究执占

1.5 电网电压跌落和不对称对风力发电系统的影响

1.6 课题研究的主要内容

第二章 网侧电压跌落检测和电压正序检测器设计

2.1 网侧电压分析方法研究

2.1.1 电压跌落检测

2.1.2 电压正负序分离

2.2 电网不平衡时基波正序电压检测器设计

2.2.1 电网不平衡时的电压特性

2.2.2 电网不平衡时常规电压正负序分离方法

2.2.3 基波正序电压检测方法选择

2.2.4 不平衡电路数字锁相环设计

2.2.5 数字低通滤波器的选择

2.2.6 MATLAB数字滤波器的设计

2.3 正序电压检测器MATLAB仿真

2.3.1 数字PLL仿真实验

2.3.2 巴特沃思低通滤波器仿真实验

2.4 本章小结

第三章 数字PWM逆变器控制策略研究

3.1 电压型全控桥式逆变电路结构

3.1.1 三相电压型逆变器(Voltage SourceInverter-VSI)一般数学模型

3.1.2 三相电压型逆变器dq模型

3.1.3 电流控制方式设计

3.2 电网不平衡情况下PWM逆变器控制策略

3.2.1 基于两相静止坐标系下的数学模型

3.2.2 交流侧电流控制算法

3.3 电路拓扑结构选择及调制方式

3.3.1 VSR型逆变器三电平结构分析

3.3.2 多载波PWM技术的数字实现

3.4 VSR逆变器控制系统及调制方式仿真

3.4.1 传统双闭环控制仿真

3.4.2 电压跌落不平衡状态下控制策略仿真

3.4.3 三电平调制方式仿真

3.5 本章小结

第四章 数字控制器主控软硬件设计及实验结果

4.1 主控硬件电路设计

4.1.1 数字控制网侧变流器总体电路结构

4.1.2 主控芯片选型及介绍

4.1.3 主控板部分硬件电路设计

4.2 软件设计

4.2.1 同步采样法软件设计原理

4.2.2 软件主程序设计

4.2.3 ADC中断及低通滤波器程序设计

4.3 实验与结果分析

第五章 结论以及展望

5.1 结论

5.2 展望

附录

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表