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中性点箝位(NeutralPointClamped,NPC)三电平技术能够在现有器件基础上提高变流器的电压等级,与两电平变流器相比可以减小系统电流,降低外围电路的体积、成本和损耗,在相同的开关频率下能够获得更好的谐波效果。因此,受到了风电设备公司及研究机构的广泛关注。本文以永磁直驱风电机组(Permanent-MagnetDirect-DriveWindTurbine,PMDDWT)三电平NPC背靠背变流器为研究对象,对机组的最大功率跟踪及永磁同步发电机(Permanent-MagnetSyschronousGenerator,PMSG)电流控制策略、网侧电压源变流器(VoltageSourceConverter,VSC)控制技术、NPC三电平VSC简化空间矢量调制(SpaceVectorModulation,SVM)、直流侧中点电位(NeutralPointPotential,NPP)控制、电网电压不平衡情况下网侧NPC三电平VSC的运行特性及控制等进行了深入研究。基于MATLAB7.8.0/Simulink和实验室模拟PMDDWT实验平台分别进行了详细的仿真和实验验证。主要工作包括以下五个方面。
1.对变速恒频风电机组的最大功率跟踪技术进行总结,明确了PMDDWT中PMSG的控制目标。建立了PMSG的数学模型,并在考虑机侧变流器电压和电流受限的情况下对PMSG的电流控制策略进行研究,设计了PMSG的控制系统。建立网侧NPC三电平VSC的数学模型,并设计了其控制系统。给出了三电平NPC背靠背变流器在电网电压平衡情况下的控制框图。
2.提出三电平简化SVM方法,并与最近三矢量(Nearest-Three-Vector,NTV)SVM进行了详细对比。将其应用在NPC三电平VSC直流侧中点电流的分析中,得到了NPP无低频波动时网侧VSC端的功率因数和调制比需要满足的条件,指出功率因数越高,调制比越低,NPP越容易得到控制。提出无需中点电流检测的NPP控制方法。对三电平NPC背靠背变流器的中点电流进行深入分析,提出机侧和网侧共同参与控制的三电平NPC背靠背变流器NPP控制方案。
3.以瞬时功率理论为基础,对电网电压不平衡时网侧VSC在两相静止坐标系下的控制进行了研究。明确了变流器端瞬时功率与电网侧瞬时功率的关系。对电压不平衡时NPP受到的影响进行了深入研究。推导出电压不平衡情况下NPP受控的范围与平均功率因数及调制比的关系。提出在电压和电流未超过变流器容量限制的条件下,电网电压不对称跌落时背靠背变流器的应对策略。
4.对简化SVM方法及电网电压平衡情况下的PMDDWT三电平NPC背靠背变流器的运行特性进行了仿真验证和分析。仿真结果表明所提的简化SVM方法能够方便的实现空间矢量调制,NPP控制方法能够在较宽的调制比和功率因数范围内取得很好的控制效果,同时证明了网侧NPC三电平VSC及PMSG控制系统的有效性。对电网电压单相对地短路故障时PMDDWT三电平NPC背靠背变流器的控制策略进行了仿真验证。结果表明文中提出的电网侧无功功率闭环控制方案是有效的,同时表明电网电压不平衡情况下NPP稳定条件的分析及NPP控制方法是正确的。
5.以DSP+FPGA为基础设计了NPC三电平VSC的控制电路及码盘测速电路。设计了变流器的功率电路,给出了关键元器件的选型。搭建了基于三电平NPC背靠背变流器的模拟PMDDWT实验平台,对简化SVM方法、直流侧NPP控制方法及三电平NPC背靠背变流器控制方法等进行了实验验证。实验结果表明简化SVM方法应用在实际系统中能够有效简化空间矢量调制技术,直流侧NPP控制方法在稳态和动态情况下都能取得良好的控制效果,设计的网侧NPC三电平VSC和PMSG控制系统具有较好的动静态性能。同时证明了功率电路和控制电路设计的有效性。