新能源发电柔性接口换流电路的研究

重庆大学硕士学位论文新能源发电柔性接口换流电路的研究姓名：王娟申请学位级别：硕士专业：电气工程及其自动化指导教师：周雒维20060401重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要为了满足人们对电力越来越多的需求，世界各国都掀起了开发利用清洁新能源发电的热潮。新能源发电技术的应用离不开并网逆变器的研究。随着全控型器件的发展以及性能的不断改善，电压源换流器的应用越来越广泛。论文[26]提出了一种新型的双Buck型电压源换流器逆变电路(BVSC)及由此推导出来的双频双Buck型电压源换流器逆变电路(DBVSC)，与传统的的变换器相比，BVSC仅利用两个高频开关就可取得较好的输出波形，DBVSC可以减小开关损耗，提高功率等级，特别适合大功率场合应用。本文主要针对单周控制的BVSC和DBVSC电路进行建模，对系统的稳态性能和动态性能进行理论和仿真分析。论文的主要工作如下：1)对开关变换器的建模方法进行了综述，通过比较选用状态平均法对系统进行建模。对BVSC的等效电路在不同开关状态下的工作情况进行了详细分析，推导出了主要物理量的计算公式，推导出了BVSC主电路的线性化平均模型，在该模型基础上计算了稳态方程、小信号模型方程及其等效电路。2)对BVSC的单周控制方程进行小信号扰动分析，综合主电路的模型得到了整个系统的模型。推导计算出了整个系统的输入电流－输出开环传递函数和输入电压－输出开环传递函数，画出了其波特图并分析了存在的问题，对补偿环节进行了设计，对补偿前后系统的性能进行了比较，并通过分析补偿后的系统的闭环传递函数，对动态性能进行了详细的时域和频域的仿真研究。3)对DBVSC的等效电路在不同开关状态下的等效电路进行了分析，推导出了其小信号方程和等效电路，用同样的方法对双频系统进行分析，结果表明补偿器的设计是一样的。对DBVSC系统进行了输入扰动仿真分析，仿真结果与理论分析是一致的。关键词：双Buck型电压源换流器，双频双Buck型电压源换流器，单周控制，状态平均法，重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTInordertomeetthedemandsofpower,countriesaroundtheworldfocusedonthegenerationpowertechnologyofcleanrenewableresources.Sotheresearchongrid-connectedinvertersisveryimportant.Withthedevelopmentoffullycontrolleddevicesandtheimprovementofitsperformance,theapplicationofvoltagesourceconvertersbecamemoreandmorecommon.Thedissertation[26]presentedanovelBuck-typevoltagesourceconverter(BVSC)andanoveldual-frequencyBuck-typevoltagesourceconverter(DBVSC).Comparingwiththeconventionalconverters,theBVSCcanachieveexcellentoutputwaveforms,andtheDBVSCcanreduceswitchinglossandimprovepowergrade,whichissuitableforlargepowersituations.Thisdissertationmainlyfocusedonmodelingone-cyclecontrolledBVSCandDBVSC,andanalyzingthesteady-stateperformanceanddynamic-stateperformance.Theachievementsofthedissertationareasfollows:1)Summarizethemodelingmethodsofswitchingconverters,andadoptingstate-averagingmethodtobuildthemodelofthesystem.Analyzingtheworkingsituationindifferentswitchingstates,deducingtheexpressionfunctionofmainvoltageandcurrent,andbuildingthelinearizedaveragingmodeloftheBVSC.Onthisbasis,thesteady-statefunction,thesmall-signalmodelanditsequivalentcircuitswereachieved.2)Makingsmall-signalperturbationanalysistotheBVSCcontrolfunction,andobtainingthemodelofthewholesystem.Deducingtheinputcurrent-outputopen-looptransferfunctionandtheinputvoltage-outputopen-looptransferfunctionofthewholesystem,drawingthebodeplotandanalyzingthefaults.Thendesigningthecompensatingcircuit,andcomparingthecompensatedsystemperformancewithuncompensatedsystem.Calculatingtheclose-looptransferfunctionofthesystem,andanalyzingthedynamicperformancebysimulationbothintimedomainandfrequencydomain;3)AnalyzingtheequivalentcircuitofDBVSCindifferentswitchingstates,anddeducingthesmall-signalfunctionandequivalentcircuit.Applyingthesamemethodtocompensatethesystem.SimulatingtheDBVSCsystemwithperturbationandtheresultsconfirmedthetheoreticalanalysis;Keywords:Buck-typevoltagesourceconverter,dual-frequencyBuck-typevoltagesourceconverter,one-cyclecontrol,state-averagingmethod重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1引言21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成全球热点问题，而能源问题将更加突出，主要体现在：能源短缺、环境污染、温室效应。因此，人类解决上述能源问题实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。可再生能源的含义，指的是除常规化石能源和大中型水利发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，是最有前景的替代能源，将成为未来世界能源的基石。当今，世界可再生能源增长率已远远地超过了常规能源的增长率，许多发达国家新能源和可再生能源消费已占其总能源消费的5%～10%。我国具有丰富的新能源和可再生能源：水能可开发资源为3.78亿kW，目前已开发利用11%；太阳能年总辐射超过60万J/cm2，开发利用前景广阔；风能资源总量16亿kW，约10%可供开发利用[1][2]。鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能、燃料电池等新能源的热潮。光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理（光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。）进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术[1]。燃料电池在能量转换过程中损失小，发电效率很高，并且大气污染程度极低[3]。燃料电池和太阳能电池产生的是直流电压和电流。风力发电系统采用同步发电机产生取决于风速的三相变频电压，这种变频的交流电压通过整流转换成直流。因此，上述这些系统都需要采用电力电子接口与电网相连接，进行功率调节[15]。以太阳能电池为例，新能源利用的基本结构原理如图1.1所示[4]，其中Dclink为DC-DC变换器与并网逆变器的连接环节。并网运行模式下，系统的控制目标是使逆变器输出的正弦波电流的频率和相位与电网电压相同，并网电流的大小取决于光伏阵列输出功率。图1.1光伏并网系统结构框图Fig.1.1Theconfigurationofthephotovoltaicgrid-connectedsystem重庆大学硕士学位论文1绪论21.2新能源发电技术的研究现状到目前为止,除水电外,全世界可再生能源发电的总容量已经接近4×104MW,占全世界总装机容量的1%。世界范围内已建成多个兆瓦级的联网光伏电站,光伏发电总装机容量约1×103MW。世界上最大的风力田位于美国加利福尼亚州,年发电约22×108kW·h。全世界风电装机容量已达17706MW。美国将在俄勒冈州至华盛顿州沿线建立一个世界最大的风力发电基地,德国计划30年后用风力发电取代核电,风力发电在德国供电系统中的比重将占到25%。美国每年投资数亿元开发燃料电池,掌握了许多最先进的技术。日本也大力开展燃料电池及发电技术的研究,仅磷酸型燃料电池(PAFC)发电装机就已超过30MW。加拿大、韩国以及欧洲许多国家也在燃料电池的研究与应用上取得了很大进展。已有数百座PAFC型电站在美国、日本以及欧州各国投入运行,容量最大的是东京电力公司的五井电厂(11MW)[17]。我国的太阳能电池制造水平比较先进,实验室效率已经达到21%,一般商业电池效率是10%～13%。已建成15座光伏电站,容量约40MW。其中容量最大的是1998年投运的西藏安多100kW电站。太阳能发电项目正在启动,计划在拉萨建立一座35MW的鲁兹型太阳能电站。我国独立风电装置有10多万台,总容量20MW左右,80%以上在内蒙古。80年代中后期以来,联网风电场建设迅速发展,全国共建成20个联网风电场,容量234MW。新疆达坂城风电二场是我国目前最大的联网风电场,我国自行研制的7.5MW风力发电机组已经投入运行。燃料电池技术列入了国家“九五”科技攻关项目和中国科学院“九五”应用研究与发展重大项目,其研究目标直指国际水平[17]。新能源发电技术的开发利用已经成为21世纪的热点问题之一，世界各国对该技术也越来越关注，因此，研究本课题具有深远的意义。1.3并网逆变器的主电路拓扑结构随着电力电子及其控制技术的发展,电压型PWM斩控技术日趋成熟，电压型光伏并网逆变器更多的被人们采用[5][6][7]。现今主要具有两类拓扑结构：（1）两电平拓扑结构；（2）多电平拓扑结构。硕士论文[26]中对这几种拓扑作了综述。另外，文献[14]提出了一种新型的将能量从直流侧传输到三相交流系统的拓扑结构，如图1.2所示。该电路结构包含一个桥式晶闸管逆变器，它的触发角可以保持不变。直流侧的电流包含直流分量和三次及六次谐波电流分量。直流分量dI的幅值取决于期望的输出功率，而三次及六次谐波电流分量的幅值取决于直流分量的幅值并对其优化以使交流侧获得最小的THD值。三次及六次谐波电流分量与电网同步，但相移取决于晶闸管逆变器的触发角。两个电抗器上流过的三次谐波电流分量方向是一样的，为了平衡，在YB变压器的中性点有三次谐波电流流过，这就需要隔离和电压匹配。常规有源逆变器的触发角应提前于线电压过零点