中压三电平全功率风电变流器关键技术研究

摘要

在海上风力发电系统中，单机5MW及以上大功率直驱风电机组逐渐成为主流机型。其中，中压技术路线由于具有低损耗、高效率、小体积、便于安装运维等优点，是该功率等级风电机组的最优选择。本文以国家“十二五”科技支撑项目为依托，对中压直驱风力发电系统中的中压三电平全功率风电变流器及其关键技术展开了研究，涉及了脉宽调制策略、滤波器优化设计、模块化并联技术、故障穿越控制策略、功率单元若干问题讨论以及工程实践和实验研究。论文的主要研究工作与创新如下:
　　1)针对网侧变流器中开关频率低造成的谐波难以滤除且动稳态控制性能不佳问题，采用DWPM策略提高其载波频率，对比分析了六种三电平DPWM的优缺点，选择综合性能最优的DPWMA作为调制策略，给出了其基于载波的实现方式，并讨论了其中点电位波动问题;针对机侧变流器共模电压及中点平衡控制需求，采用无小矢量参与的LMZVM策略，并研究了一种基于增加相邻小共模电压矢量的中点平衡控制方法及其载波实现方式;进一步的，针对常规DPWM不具有主动中点平衡控制能力且只适用于单一工况的问题，提出了一种具有中点平衡能力的优化损耗三电平通用载波DPWM策略，在保证中点电位位于给定阀值之内的前提下，尽可能的优化开关损耗。
　　2)概述并对比分析了典型网侧高阶滤波器;针对改进DPWMA输出谐波更加集中于第一载波带的特点，配合使用LLCL滤波器拓扑以增强高频谐波的衰减率，减小滤波器的体积;为了改善LLCL滤波器对系统稳定性的不良影响，对两种简单无源阻尼方案进行了对比，并提出一种改进阻尼方案，在有效提高载波频率处谐波衰减能力的同时，确保谐振抑制能力且能显著降低阻尼电阻损耗;在详细分析DPWMA桥臂电流纹波基础上，给出了所提滤波器的参数设计原则及其详细流程;此外，也给出了直流支撑电容、机侧LRC滤波器的参数设计原则。
　　3)分类并比较了三电平风电变流器并联的基本拓扑及控制方案，且对零序环流进行了建模与分析;针对分布式控制并联方案，采用即时采样PR闭环控制以抑制低频零序环流，并给出了两种直流母线并联方式下的控制方案，探讨了该方案在中压大功率变流器中应用的问题;针对集中式控制并联方案，引入EtherCAT通讯技术，提出一种基于EtherCAT的变流器并联系统，极大的提高了主从站间的传输速率及可靠性，并能精确保证载波信号同步，增强了模块化并联系统的可扩展性;进一步的，将过采样控制技术引入大功率风电变流器控制系统中，提高了系统的控制带宽并保证系统具有较好的稳定裕度。
　　4)在对故障穿越下直流过电压、网侧变流器可控性以及三电平中点电位波动问题的分析基础下，研究了故障穿越时直流过电压抑制、变直流电压控制以及基于零电平消除的中点平衡控制方法，并给出了适用于全电网变化条件下的故障穿越整体控制策略，有效提高了中压三电平风电变流器的故障穿越能力。
　　5)分析了三电平SPWM数字实现时的窄脉冲问题、脉冲丢失问题以及PWM脉冲的启停逻辑，并给出了解决方法;针对NPC型三电平变流器内外管不均压问题，依据实际运行工况全面详细分析了该问题的机理，并提出一种简单可行的解决方案，有效抑制了各种工况下的内管不过压问题，保障了开关器件的安全性。
　　6)设计并建立了三种不同电压等级和功率等级的实验平台，基于这三种实验平台进行了详细的实验研究，有效验证了文中理论分析的正确性和设计方案的可行性。同时，对所设计的中压三电平风电变流器样机进行了基于5MW/3300V低速永磁同步风力发电机对拖机组的带载测试，进一步验证了变流器的各项软硬件性能，为后续针对实际风场的试运行奠定了基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景

1．1．1 国内外风力发电发展现状

1．1．2 当前风力发电的发展趋势

1．1．3 当前风力发电系统主流机型

1．2 选题的意义

1．2．1 海上风电用大功率直驱发电系统的研究意义

1．2．2 永磁直驱中压全功率风电交流器的研究意义

1．3 选题的研究现状

1．3．1 中压大功率风电变流器的主电路拓扑分析与选择

1．3．2 中压大功率交流器的国内外产品调研及分析

1．3．3 中压三电平风电变流器若干关键技术的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2 中压三电平风电变流器的脉宽调制策略研究

2．1 中压三电平风电变流器调制策略问题分析

2．1．1 开关器件选择与功率损耗分析

2．1．2 机网侧交流器调制策略功能需求分析

2．2 网侧变流器调制策略

2．2．1 三电平DPWM比较分析与选择

2．2．2 三电平DPWM载波实现

2．2．3 DPWMA中点电位分析与讨论

2．3 机侧变流器调制策略

2．3．1 LMZVM策略

2．3．2 中点电位平衡控制

2．3．3 基于载波的实现方法

2．4 具有中点平衡控制的损耗最优通用载波DPWM策略

2．4．1 注入断续零序分量的载波DPWM及中点平衡控制

2．4．2 具有中点平衡控制的开关损耗优化控制

2．4．3 调制算法的性能评估

2．5 本章小结

3 中压三电平风电变流器的滤波器优化设计

3．1 网侧输出滤波器概述与对比

3．1．1 网侧输出滤波器拓扑结构概述

3．1．2 网侧滤波器滤波特性分析及对比

3．2 基于DPWMA频谱特性的网侧滤波器优化设计

3．2．1 DPWMA谐波特性分析及改进

3．2．2 滤波器拓扑选择及阻尼方案优化

3．2．3 滤波器参数设计

3．2．4 设计实例及仿真结果分析

3．3 直流支撑电容设计

3．4 机侧LRC滤波器设计

3．5 本章小结

4 中压三电平风电变流器的并联运行控制研究

4．1 三电平风电变流器并联方案分类及比较

4．1．1 硬件拓扑分类及比较

4．1．2 控制方案分类及比较

4．2 三电平风电变流器并联系统的零序环流建模与分析

4．2．1 零序环流路径分析

4．2．2 零序环流数学建模

4．3 基于分布式控制的三电平风电变流器并联运行研究

4．3．1 零序环流分析与抑制

4．3．2 整体控制策略设计

4．3．3 工程应用的问题讨论

4．4 基于集中式控制的三电平风电变流器并联技术研究

4．4．1 基于EtherCAT的集中式控制并联方案概述

4．4．2 基于EtherCAT的风电变流器并联控制系统设计

4．4．3 基于EtherCAT的风电变流器过采样控制技术

4．5 本章小结

5 中压三电平风电变流器故障穿越技术(FRT)研究

5．1 FRT的要求及控制问题分析

5．1．1 并网导则对FRT的要求

5．1．2 FRT的直流过电压分析

5．1．3 网侧变流器的可控性分析

5．2 三电平风电变流器的FRT控制

5．2．1 LVRT直流过电压抑制

5．2．2 HVRT变直流电压控制

5．2．3 三电平载波过调制策略

5．2．4 基于零电平消除的中点平衡控制

5．3 FRT协同控制策略

5．3．1 控制策略概述

5．3．2 仿真结果分析

5．4 本章小结

6 中压三电平风电变流器功率单元若干问题讨论

6．1 NPC三电平变流器PWM脉冲管理

6．1．1 基于DSP的三电平SPWM数字化实现

6．1．2 开关器件窄脉冲问题分析及抑制

6．1．3 脉冲丢失问题分析及抑制

6．1．4 NPC三电平变流器PWM启停逻辑

6．2 NPC三电平变流器内外管不均压机理分析及抑制

6．2．1 正常运行工况下内外管不均压分析

6．2．2 待机工况下内外管不均压分析

6．2．3 停机工况下内外管不均压分析

6．2．4 内外管不均压抑制方案

6．2．5 仿真结果分析

6．3 本章小结

7 中压三电平风电变流器实验研究与工程实践

7．1 实验平台与工程实践样机搭建

7．1．1 60kW／380V三电平分布式并联变流器平台设计与实验

7．1．2 1MW／690V三电平集中式并联交流器平台设计与实验

7．1．3 基于EtherCAT的7MW中压三电平变流器平台设计与实验

7．2 关键实验研究

7．2．1 调制策略实验验证

7．2．2 网侧滤波器实验验证

7．2．3 并联方案实验验证

7．2．4 故障穿越策略验证

7．2．5 功率单元若干方案验证

7．3 5MW中压三电平风电变流器现场调试及关键结果

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 论文工作的总结

8．2 论文工作的展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况