海上风力发电用多电平中压变流器的研究

风电行业在发展中表现出单机功率不断提升、发展海上风场、直驱式风电机组后来居上等特点。海上永磁直驱风力发电系统作为以上趋势的产物,将会成为未来风电领域的研究热点。传统两电平“背靠背”变流器如果直接用于海上风力发电系统,将会产生开关器件承受的电压、电流应力大；du/dt过大；电磁干扰强等一系列问题。多电平拓扑结构中单个开关器件承压小,输出波形更接近正弦,多电平变流器可以很好地满足大功率中压系统的要求。 本文以适用于大功率海上风力发电系统的多电平中压变流器为研究目标,进行拓扑结构选择和研究。 通过广泛阅读了解各种多电平结构在风电领域的应用情况。经过对比和分析,将多电平拓扑结构与多相电机相结合,提出了“六相永磁同步发电机+双母线三电平PWM变流器”系统结构方案。使用多相电机可以提升单机功率,符合风力发电单机大型化趋势。双母线制上的每套变流器只分担系统一半的功率,降低了对变流器容量的要求。三电平拓扑结构不仅降低了中压系统对单个开关器件的电压应力,在相同开关频率下比两电平变流器输出电压电流畸变率更小,相应的系统滤波器容量减小。 考虑到所选双母线变流器机侧和网侧部分均为三电平PWM整流器,本文建立了三电平PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型。重点研究了三相三电平变换电路调制方式和中点电位偏移控制方案。在对比分析后选择了三电平SVPWM作为调制方式,并通过调整正负小矢量作用时间有效控制中点电位平衡。SVPWM易于数字实现,且直流母线电压利用率高。选用的中点电位控制方案不增加硬件成本,算法简单,易于实现。 为所提出的多电平中压变流器选择合适的控制策略,网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制,并采用LCL滤波器；机侧变流器通过建立的六相电机单绕组等效模型,将对六相风力发电机的矢量控制等效为对三相永磁同步电机的控制。在Matlab中建立了整个系统模型以验证所提出方案的可行性和正确性 本文还针对5MW海上风电变流器进行了主电路器件选取和参数设计,使研究具有一定的实用价值和工程指导意义。