開繞組永磁同步發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、永磁發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、效率高、結(jié)構(gòu)靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電、燃?xì)廨啺l(fā)電、航空航天、車載一體化以及飛輪儲(chǔ)能等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng)容量的不斷提升，永磁發(fā)電機(jī)的功率等級(jí)正逐漸增大。與此同時(shí)，其所使用的全功率變流器容量也會(huì)隨之增加。受現(xiàn)有開關(guān)器件的限制，應(yīng)用于中壓大功率場(chǎng)合下的變流器設(shè)備不僅成本昂貴，其運(yùn)行性能及可靠性也面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為突破現(xiàn)有電機(jī)結(jié)構(gòu)的局限性，提高永磁發(fā)電系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、弱磁能力、容

2、錯(cuò)運(yùn)行以及降低開關(guān)器件應(yīng)力等在內(nèi)的運(yùn)行性能，開繞組永磁電機(jī)作為一種新型永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了廣泛的關(guān)注和研究。本文以開繞組結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電(OW-PMSG)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)其在共直流母線與隔離直流母線結(jié)構(gòu)、雙邊全控與單邊可控拓?fù)湎碌目刂品椒?、調(diào)制策略、容錯(cuò)能力以及適用范圍等進(jìn)行了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)共直流母線OW-PMSG雙邊全控系統(tǒng)中存在零序電流的現(xiàn)象，研究其零序電流產(chǎn)生機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了零序電流

3、抑制方法與相應(yīng)的電壓空間矢量調(diào)制策略。通過(guò)重新建立電機(jī)與變流器在三維坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，研究零序電流的與電機(jī)三次諧波反電動(dòng)勢(shì)以及變流器產(chǎn)生的零序電壓之間的關(guān)系，通過(guò)將傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)在二維平面下的控制方式拓展到三維空間，提出一種基于比例諧振(PR)控制器的零序電流抑制方法和基于零矢量重分配的電壓空間矢量調(diào)制算法，并分析了零序電壓線性調(diào)制范圍。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出方法的可靠性與適用性。⑵為實(shí)現(xiàn)OW-PMSG雙邊全控系統(tǒng)在故障狀

4、態(tài)下的可持續(xù)運(yùn)行，重點(diǎn)研究其在隔離直流母線結(jié)構(gòu)容錯(cuò)運(yùn)行工況下的控制方法與調(diào)制策略。在變流器橋臂故障時(shí)，實(shí)施三相六開關(guān)(TPSS)結(jié)構(gòu)到三相四開關(guān)(TPFS)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)方案，研究在不同故障狀態(tài)下的電壓空間矢量調(diào)制范圍，進(jìn)而提出對(duì)應(yīng)的控制策略與調(diào)制方法。針對(duì)TPFS結(jié)構(gòu)，利用向量結(jié)構(gòu)圖分析其在電容中性點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)的線性調(diào)制機(jī)理，為TPFS結(jié)構(gòu)的使用和推廣奠定理論基礎(chǔ)。最后將所研究容錯(cuò)運(yùn)行算法推廣到多電平系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多電平變流器容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)的最

5、大電壓輸出。⑶為降低OW-PMSG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，使用一組三相不控整流橋與一組全控變流器集成，從而構(gòu)建OW-PMSG單邊可控系統(tǒng)。建立了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了電機(jī)三相電流極性與可調(diào)電壓空間矢量范圍之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)分析不同母線電壓配比下的電壓空間矢量調(diào)制范圍，探索不同功率因數(shù)角下，變流器系統(tǒng)所能輸出的最大、最小線性調(diào)制度，進(jìn)而得出單位功率因數(shù)控制為最適應(yīng)該結(jié)構(gòu)控制方式的結(jié)論，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了調(diào)制范圍與電壓配比以及功率因數(shù)角的對(duì)應(yīng)關(guān)

6、系。⑷為進(jìn)一步簡(jiǎn)化OW-PMSG單邊可控系統(tǒng)，采用變流器共直流母線結(jié)構(gòu)，本文建立了該單邊可控共母線結(jié)構(gòu)下的OW-PMSG數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析其電壓空間矢量調(diào)制范圍，研究其最優(yōu)控制算法。針對(duì)OW-PMSG單邊可控系統(tǒng)在共直流母線結(jié)構(gòu)下的過(guò)零點(diǎn)保持現(xiàn)象，分析了在功率因數(shù)角不為零時(shí)，過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因。針對(duì)該現(xiàn)象引起的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提出一種基于三次諧波電流注入的電流快速過(guò)零點(diǎn)方法，實(shí)現(xiàn)電壓電流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)同步，從而減小OW-PMS