双馈风电变流器功率模块IGBT结温波动抑制策略研究

发布时间：2017-08-29 17:09

  本文关键词：双馈风电变流器功率模块IGBT结温波动抑制策略研究

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【摘要】：变流器作为风电机组电能回馈至电网的关键控制通道,其可靠运行对并网风电机组的电能质量与安全稳定性至关重要。功率模块电力电子器件结温是影响变流器运行可靠性的重要指标之一。双馈风电机组机侧变流器由于长时间运行在较低工作频率,较大的结温及结温波动使其疲劳寿命大幅降低。为了进一步提高现有风电变流器可靠性水平,论文针对双馈风电变流器功率模块绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)结温波动抑制问题,开展了IGBT模块电热耦合联合建模及结温变化规律的分析,并提出其结温及结温波动抑制策略。本文主要内容包括:(1)针对有限元建模难以考虑控制策略对风电变流器IGBT结温的影响,建立考虑变流器电热耦合特性的双馈风电机组联合仿真模型。首先,基于IGBT模块等效热网络结构、电热耦合理论及多维插值方法,建立三相变流器结温计算模型,并进行实验验证;其次,基于双馈风电机组机侧及网侧变流器控制策略,建立了双馈风电机组及其控制系统仿真模型。最后,利用PLECS/Simulink联合仿真平台,建立双馈风电变流器结温分析模型,对不同运行工况下变流器的电热性能进行分析。(2)针对不同调制策略会影响IGBT损耗,进而影响其结温变化的问题,提出一种组合分段调制的结温抑制策略。首先,对不同不连续空间矢量调制(Discontinuous Space Vector Pulse Width Modulation,DSVPWM)策略所对应的变流器最优损耗功率因数角进行分析;然后,基于双馈发电机机侧变流器功率因数角变化范围,提出组合分段DSVPWM策略。最后,对组合调制下风电变流器电热性能、谐波性能进行比较和验证。(3)针对双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近IGBT结温大幅波动问题,提出一种基于机组转速控制的IGBT结温波动抑制策略。首先,基于最大功率跟踪曲线,提出通过控制机组转速减少低频运行时间的结温波动抑制思路,并建立了包含转速、功率控制的机侧变流器结温波动抑制策略。然后,对不同运行工况下变流器结温、定子有功出力和发电量等方面进行仿真,并结合等效实验进行验证。论文建立的风电变流器结温分析联合仿真模型可以对其结温的准确计算与分析提供支持,提出的结温抑制策略可为现有机组及变流器控制策略改进提供技术支撑。
【关键词】：双馈风电机组 IGBT模块 结温抑制 组合调制 转速控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题背景及研究意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 风电变流器功率模块IGBT结温建模与分析11-12
• 1.2.2 风电变流器IGBT模块结温及结温波动抑制策略研究现状12-13
• 1.3 本文的研究内容13-15
• 2 双馈风电变流器IGBT电热耦合联合仿真建模及结温分析15-39
• 2.1 引言15
• 2.2 功率模块电热耦合特性15-18
• 2.2.1 功率模块封装技术15-16
• 2.2.2 热力学参数和电参数之间的转换16-18
• 2.3 IGBT模块电热耦合模型18-28
• 2.3.1 风电变流器IGBT模块等效热网络18-19
• 2.3.2 IGBT模块损耗与结温计算19-24
• 2.3.3 不同输出频率下IGBT模块结温分析及验证24-28
• 2.4 双馈风力发电机及其控制系统建模28-32
• 2.4.1 风力机运行特性28-29
• 2.4.2 变流器的控制29-31
• 2.4.3 双馈风力发电机最大功率跟踪控制31-32
• 2.5 双馈风电变流器结温分析32-37
• 2.5.1 双馈风电变流器电热分析模型32-33
• 2.5.2 机侧及网侧变流器损耗分析33-34
• 2.5.3 机侧及网侧变流器结温分析34-37
• 2.6 小结37-39
• 3 双馈风电变流器IGBT结温抑制的组合调制策略39-55
• 3.1 引言39
• 3.2 基于DSVPWM策略的变流器开关损耗抑制原理39-42
• 3.2.1 不同DSVPWM策略39-40
• 3.2.2 不同调制策略下的结温实验比较40-41
• 3.2.3 基于DSVPWM策略的变流器开关损耗抑制思路41-42
• 3.3 机侧变流器功率因数角变化范围及其IGBT结温抑制策略42-46
• 3.3.1 机侧变流器负载功率因数角分析42-45
• 3.3.2 组合分段调制的机侧变流器IGBT结温抑制方法45-46
• 3.4 组合分段DSVPWM策略对变流器结温及调制性能影响46-52
• 3.4.1 机组有功出力变化下组合分段DSVPWM策略的结温抑制效果46-48
• 3.4.2 机组无功出力变化下组合分段DSVPWM策略的结温抑制效果48-49
• 3.4.3 不同空间矢量调制策略的谐波性能比较49-52
• 3.5 小结52-55
• 4 基于转速控制的机侧变流器IGBT结温波动抑制策略55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 双馈机组同步转速附近结温抑制策略55-58
• 4.2.1 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制原理55-56
• 4.2.2 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制流程56-58
• 4.3 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制效果比较58-63
• 4.3.1 同步转速附近区域动态结温仿真58-61
• 4.3.2 全风速范围下稳态结温波动分析61-62
• 4.3.3 等效实验分析62-63
• 4.4 不同控制策略下的机组效率分析63-67
• 4.4.1 稳态风速下定子出力分析63-64
• 4.4.2 改进控制策略下的机组效率分析64-67
• 4.5 小结67-69
• 5 结论与展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-79
• 附录79-82
• A. 三相变流器参数79-80
• B. 2MW双馈风电机组的主要仿真参数80
• C. 风电变流器IGBT模块主要参数80-82
• D. 攻读硕士学位期间的学术成果及参加的科研项目82

【参考文献】

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本文编号：754439