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近年来,风电技术取得了突飞猛进的发展:单机容量不断提高;发电机的变速恒频运行取代了传统的恒速恒频运行;实现了风电场的实时监控、远程测控及计算机群控。在风力发电系统的机电能量转换过程中,功率变换器及其控制系统具有十分关键的作用,它直接影响整个系统的性能、效率和电能质量,成为了风电技术研究的热点之一。本课题以10kW永磁同步电机变速恒频风力发电变流系统为研究背景,重点对变流系统整流部分及其控制方法进行了研究。目前永磁同步电机变流系统的整流部分多采用不控整流与DC/DC升压或升降压变换器组合形式控制输出稳定直流电压,无法满足本课题大功率等级、控制输出稳定直流电流、输出能够动态调节且调节范围宽的需求。为此,本文提出开发一款稳流型大功率风力发电整流器,在传统的控制中引入微机技术,使得风电转换可靠实现且输出性能良好。
本文首先介绍了当前国内外风力发电技术的现状及其发展趋势,比较了当前的主流技术,提出了大功率风力发电整流器的构想。然后根据系统的功率要求对主电路进行参数设计、器件选型,再根据主电路的拓扑和参数进行小信号建模,并在建模的基础上结合整流器的功能需求完成控制系统架构的设计与实现。最后为系统设计了对应的多路输出辅助电源。
本文主要工作包括以下几个方面:
第一,介绍了风力发电技术的国内外现状及其发展趋势;简要介绍了国内外风力发电的主流技术,对恒速恒频和变速恒频风力发电系统进行了比较,总结了各自的优缺点;提出了用于本课题风力发电系统的大功率整流器的结构并介绍其工作原理。
第二,介绍了大功率整流器主电路的工作原理和参数设计方法;根据ZVS-PWM移相全桥变换器主电路的拓扑和参数进行小信号建模,在建模的基础上完成DC/DC全桥变换器控制电路的参数设计;结合整流器的功能需求完成基于ATmega16系统控制器的软硬件设计。
第三,在了解TOPswiteh-GX系列产品的性能优点、工作原理的基础上,利用其设计风力发电大功率整流器对应的多路反激辅助电源,最后通过实验数据证明了设计的可行性。
第四,利用SIMetrix软件搭建DC/DC全桥变换器闭环电路的仿真平台,验证系统的可行性。
论文完成的风力发电系统大功率整流器输出稳定直流电流,能够自动调节或者人工调节输出且调节范围宽;设计的面向用户的人机接口为实时监控系统运行状态提供平台,使得本大功率整流器运行可靠、控制简单、工作性能良好。