风力发电系统网侧变流器的设计与仿真开题报告

全文总字数：6037字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究背景

基于现今社会背景下，能源资源及环境问题可以说日益严重，逐渐受到了社会各界人士高度关注，在这种情况下新型清洁性能源的合理开发利用就极其重要，促使越来越多节约型能源逐渐走进人们日常生活，其中应用最为广泛之一便是风能，其具有十分丰富风能资源量且分布范围较广等优势。然而基于目前实际情况来看，风能资源在具体使用期间往往极容易受到地形地势等众多因素影响，再加上风力风电系统整体起步较晚，因而更是存在较多问题，如风力发电设备研发创新性较差、国家相关优惠政策较少等，都会对风力发电行业发展起到一定阻碍性影响，需要充分提高重视程度。

风力发电系统由很多部件构成，其中作为能量转换器件的变流器是不能忽视的重要环节，因为由发电机产生的频率与电压随时变化的交流电，需经过变流器转换为稳定的直流电，同时该直流电还需要经过变流器转换为电压与频率稳定的交流电才能并入电网，由此可见，变流器在整个风力发电系统中起着非常关键的作用。因此，从整体结构来看，变流器性能及其控制策略的优劣将决定发电机的效率、整个风力发电系统的稳定性以及所产生的电能品质。

1.2 国内研究现状

20世纪50——80年代，晶闸管、场效应管、绝缘栅型晶体管的诞生，为逆变技术的发展提供了条件；20世纪90年代，矢量控制技术，智能控制技术的快速发展，使逆变技术日益完善，拓宽了逆变器的应用领域；21世纪初，伴随着电力电子技术、现代控制理论的不断改进，使得逆变技术朝着高效率、高功率、智能化的方向快速发展。因此，鉴于变流器在风力发电系统中所起到的至关重要的作用，完全可以将风力发电产业的发展史归结为电力电子技术及其控制技术的创新史。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计的基本内容

利用二极管箝位作用的三电平逆变器相较于以往常用的二电平逆变器，其逆变器输出端电压波形比二电平包含较小的谐波分量，脉动转矩明显下降，同时开关器件所承受的电业是二电平的一般，从而在相同原件的条件下，可以提升功率，更适用于远距离电力传输。本文主要采用SVPWM调制方式来控制三电平逆变器作为风力发电系统的网侧变流器方案，具体内容如下：

了解利用二极管箝位的三电平逆变器的原理；了解SVPWM（空间矢量脉宽调制）的原理；根据二电平逆变器SVPWM控制算法推导三电平；学习Matlab软件；学习simulink模块搭建；搭建控制算法模型进行仿真分析。以期得到一个完整、可行的技术方案。

其设计内容的总体框架如图一所示：

机测整流电压

网侧三电平逆变器

三相逆变电压

调制信号

SVPWM调制算法

图一 设计内容的总体框架

2.2 设计的目标

通过本次设计，应实现以下目标：

（1）掌握利用二极管箝位的三电平逆变器的原理和基本研究方法；

（2）学习SVPWM调制的知识；

（3）在Matlab软件上搭建仿真模块；实现对调制信号的模拟与仿真；

2.3 设计拟采用的技术方案及措施

采用SVPWM调制的三电平网侧变流器的设计应先了解三电平逆变器的原理与SVPWM调制的原理，然后根据二电平的SVPWM算法推导三电平的算法；实现对三电平算法的数学模型搭建；通过Matlab simulink软件根据数学模型搭建仿真模型，通过仿真结果分析设计是否符合要求。

2.3.1三电平逆变器的原理

如图二，是中点箝位型逆变电路。

图二二极管中点箝位型逆变电路

以A相为例，当s1、s2导通，s3、s4关断，输出端电压为Udc/2；

当s1、s4 关断，s2、s3导通时，输出端电压为0；

当s1、s2 关断，s3、s4导通时，输出端电压为-Udc/2；

表1a相开关状态表

2.3.2三电平SVPWM

三电平逆变器每相有三个工作状态，分别是1（Udc/2），0（0），-1（-Udc/2），仿照两电平可以定义Sx=1、0、-1，就可以类似得到三电平的矢量表达式：

由于三电平没相桥臂都有三个输出状态，所以共有27个矢量，其组合方式如矢量图所示（图三）：

图三 三电平逆变器空间矢量图

2.3.3 三电平SVPWM算法

根据空间矢量图，输出电压矢量Us由所在小扇区的最近三个空间电压矢量合成，所对应的作用时间可由式（1）来表示：

并且由伏秒积守恒定律原理，存在，

以此为依据可以以此推导出各空间矢量作用时间。首先作出以下定义：以U相电压方向为起点（如图三），按逆时针方向每60°作为一个大扇区，分别定义为I , II , III , IV , V , VI,并且把长矢量的幅值定义为Ud。由此，可以计算出大扇区I中各个小扇区空间矢量的作用时间。

图四 小扇区的划分

当输出电压矢量Us位于小扇区a时，该矢量由基本空间电压矢量U0，U1,U2合成；当输出电压矢量Us位于小扇区b时，该矢量由基本空间矢量U1,U2,U7合成；c、d扇区以此类推。因此可以根据此规律推导数学模型，从而确定任意空间电压矢量的表达式。

3. 研究计划与安排

第一周 调研课题背景与国内外研究现状，查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。

第二周 熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译。

第三周 提交开题报告初稿，提交外文翻译。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]李成杰，彭华良，李梅，等. 基于坐标变换法的三电平svpwm算法的三个矢量作用时间的计算方法[j]. 电气技术，2015(2)：60-65.

[2] 程志友，于浩，程红江，等. 虚拟矢量的中点电位平衡三电平调制方法[j]. 安徽大学学报：自然科学版，2014，38(2)：55-60.

[3] 赵辉，胡仁杰. svpwm的基本原理与应用仿真[j]. 电工技术学报，2015，30(14)：350-353.