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中功率风电变流器的效率优化设计研究，硕士学位论文，共92页。
摘要：
为了应对日益逼近的能源紧缺与环境污染,人们的目光逐渐投向了清洁、可再生的新能源。其中,风电作为新能源的代表之一,也得到了越来越多的关注与发展。目前,广泛釆用的大功率风电机Iff适用于海上及陆上风能较丰富的地区。然而在风况等级较低的地区,如我国东部及中部内陆地区,釆用大功率风电机组,由于机组的出力波动性,对电网冲击较大;而小功率机组运行效率又较低,不具备经济性。
因此,应用于智能微网的高效率中功率风电机组成了研宄的目标。风能转换效率是风电机组设计追求的重要目标。风电机组主要由风轮、发电机、变流器和控制装置组成,其中变流器是电能装换单元,其工作效率对整机效率有直接的影响。为了提高变流器的工作效率,本文从拓扑结构选择、调制方法设计以及主电路参数设计等方面进行优化。本文的研究目标是完成中功率风电变流器的设计及效率优化研究。其中,主要的研宄内容与创新点如下:
首先,分析了目前用于风电变流器的常见拓扑结构。在结合本文中应用场合后,对各种拓扑结构(尤其是两电平与三电平拓扑)的优缺点进行了对比分析,并以系统效率优化为主要参考条件,选择了背靠背NPC三电平拓扑。
其次,分析了 NPC三电平拓扑变流器的工作原理,并研宄了其空间矢量调制方法的实现。设定优化的矢量发送序列,减小器件开关损耗。还研宄了中点电位波动问题与控制方法。
然后,在静止三相及却旋转两相的坐标系下,分别建立了系统的数学模型,设计了网侧、机侧闭环控制系统及软件锁相环,并通过MATLAB仿真进行了验证。
接着,详细分析了主电路各主要器件(功率器件、LCL滤波器、母线电容等)的工作原理与设计方法,并对功率器件与LCL滤波器的损耗进行研宄,提出了一套以效率优化为目标的主电路参数配制方法。
另外,分析了 NPC三电平变流器的驱动与保护要求,配置了以2SC0435T为核心的驱动电路。
最后,介绍了 50kW三电平变流器实验平台搭建与基于DSP&FPGA的分布式控制系统设计。利用该变流器平台进行实验,验证了本文系统设计与效率优化研究的正确性。
关键词:效率优化;NPC三电平;中功率风电变流器;DSP&FPGA

第一章绪论
1.1课题研究背景
自工业革命以来,人类的社会经济与科学技术不断发展,然而其对能源的消耗需求也急剧增大。目前人类大规模使用的能源绝大多数为煤炭、石油等不可再生的化石能源,其蕴藏量与供应量从长远看无法支持如今的消耗速度。根据国家统计局2013年发布的统计数据⑴可知,2012年我国全年能源消费总量36.2亿吨标准煤,比上年增长3.9%,然而我国一次能源生产总量仅为33.3亿吨标准煤,其供需缺口达到了 2.6亿吨标准煤。随着化石能源的不断加速消耗,世界范围内的能源危机已逐渐展现在人类的眼前。另外,煤炭石油等化石能源燃烧所带来的不仅仅是热与能量,往往还伴随着温室气体的大量排放及环境污染,这都将对人类所赖以生存的生态环境带来巨大的威胁。
为了应对日益迫近的能源与环境危机,清洁可再生能源的研究与发展得到了越来越多的重视。目前,人类所掌握的清洁可再生能源技术主要有,水能、风能、太阳能以及地热能等。风能作为可再生能源中的代表之一,以其技术成熟、成本较低等优势,更是新能源研宄中的重点。据科学家估计,地球从太阳获得总能量的1%-3%转化成了风能,相当于地球植物通过光合作用,吸收并转化为化学能的50-100倍。因此,风能的大规模应用前景广阔。世界各国对风电应用的前景都非常重视,其中,美国能源部曾有报告[2]称,计划在2030年前将美国风力发电规模提升至其全国总发电量的20%。
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