开绕组永磁同步发电系统运行的关键技术研究

发布时间：2018-10-22 09:46

【摘要】：永磁发电机以其结构简单、功率密度大、效率高、结构灵活多样等优点,在风电、燃气轮发电、航空航天、车载一体化以及飞轮储能等诸多领域都得到了广泛的应用。随着这些应用环境系统容量的不断提升,永磁发电机的功率等级正逐渐增大。与此同时,其所使用的全功率变流器容量也会随之增加。受现有开关器件的限制,应用于中压大功率场合下的变流器设备不仅成本昂贵,其运行性能及可靠性也面临严峻的考验。为突破现有电机结构的局限性,提高永磁发电系统包括转矩平稳、弱磁能力、容错运行以及降低开关器件应力等在内的运行性能,开绕组永磁电机作为一种新型永磁电机拓扑结构,得到了广泛的关注和研究。本文以开绕组结构永磁同步发电(Open Winding Permanent Magnetic Synchronous Generator,OW-PMSG)系统为研究对象,针对其在共直流母线与隔离直流母线结构、双边全控与单边可控拓扑下的控制方法、调制策略、容错能力以及适用范围等进行了深入研究,获得的研究成果总结如下:1、针对共直流母线OW-PMSG双边全控系统中存在零序电流的现象,研究其零序电流产生机理,在此基础上提出了零序电流抑制方法与相应的电压空间矢量调制策略。通过重新建立电机与变流器在三维坐标系下的数学模型,研究零序电流的与电机三次谐波反电动势以及变流器产生的零序电压之间的关系,通过将传统的永磁同步电机系统在二维平面下的控制方式拓展到三维空间,提出一种基于比例谐振(Proportional Resonance,PR)控制器的零序电流抑制方法和基于零矢量重分配的电压空间矢量调制算法,并分析了零序电压线性调制范围。最后通过实验结果证明所提出方法的可靠性与适用性。2、为实现OW-PMSG双边全控系统在故障状态下的可持续运行,重点研究其在隔离直流母线结构容错运行工况下的控制方法与调制策略。在变流器桥臂故障时,实施三相六开关(Three-phase Six-switch,TPSS)结构到三相四开关(Three-phase Four-switch,TPFS)结构的重构方案,研究在不同故障状态下的电压空间矢量调制范围,进而提出对应的控制策略与调制方法。针对TPFS结构,利用向量结构图分析其在电容中性点电压波动时的线性调制机理,为TPFS结构的使用和推广奠定理论基础。最后将所研究容错运行算法推广到多电平系统,实现了多电平变流器容错运行时的最大电压输出。3、为降低OW-PMSG系统的结构复杂度,使用一组三相不控整流桥与一组全控变流器集成,从而构建OW-PMSG单边可控系统。本文建立了该系统的数学模型,研究了电机三相电流极性与可调电压空间矢量范围之间的对应关系。通过分析不同母线电压配比下的电压空间矢量调制范围,探索不同功率因数角下,变流器系统所能输出的最大、最小线性调制度,进而得出单位功率因数控制为最适应该结构控制方式的结论,并通过实验验证了调制范围与电压配比以及功率因数角的对应关系。4、为进一步简化OW-PMSG单边可控系统,采用变流器共直流母线结构,本文建立了该单边可控共母线结构下的OW-PMSG数学模型,通过分析其电压空间矢量调制范围,研究其最优控制算法。针对OW-PMSG单边可控系统在共直流母线结构下的过零点保持现象,分析了在功率因数角不为零时,过零点波动产生的本质原因。针对该现象引起的系统转矩脉动大的问题,提出一种基于三次谐波电流注入的电流快速过零点方法,实现电压电流信号的过零点同步,从而减小OW-PMSG转矩脉动。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM313

【参考文献】