直驱风电系统的双PWM变换器控制策略研究

【摘要】：风能资源是清洁、无污染的绿色能源，是目前发展最快的可再生能源之一，受到了全球的广泛关注。风力发电系统是能够实现风能转化成电能的重要装置，而全功率变流器是风力发电系统中实现发电能量馈入电网的重要部件，因此对全功率变流器控制技术的研究受到了各国学者的关注。直驱型风力发电系统省去了需要经常维修的齿轮箱，提高了系统效率，降低了投资和维护成本，是风力发电技术的发展趋势和当前研究热点。本文主要研究了直驱风电系统的全功率变流器控制策略。 本文建立了永磁直驱风力发电系统各部分的数学模型，选取双PWM变流器的结构，电流控制器采用常规的PI控制器。在机侧变流器中，采取了基于转子磁场定向的双闭环控制方案；在网侧变流器中，采取了基于电网电压定向的双闭环控制方案。仿真结果表明，机侧可以实现转速快速跟随风速变化，追踪最大风能，网侧可以维持直流母线电压的稳定和实现有功无功分量的解耦控制。 由于传统PI控制器只能实现对直流信号的无静差控制，因此需要进行坐标变换运算，导致系统结构复杂性变大和算法实现的难度增大；为了实现系统动态性能的改善，在控制过程中要加上交叉耦合项和前馈补偿项，而这两项均受温度和电路参数的影响，从而降低了系统的稳定性。针对传统PI控制器存在的缺陷，引入比例谐振（proportion resonant，PR）控制器。PR控制器能够在静止坐标系下实现对交流分量的无静差跟踪，在深入分析了PR控制器的基本原理和特性的基础上，提出一种改进型PR控制器，并将其应用到直驱风电系统的双PWM变流器控制系统中。在Matlab/Simulink平台上分别搭建了基于比例谐振控制的网侧变换器和机侧变换器矢量控制系统，并进行了仿真实验和分析，通过与PI控制方案的仿真结果进行对比，验证了该控制策略的正确性和优越性。 【关键词】：永磁直驱风电系统 双PWM变流器 矢量控制 比例谐振控制
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究的背景和意义9
• 1.2 国内外风电产业的发展概况9-12
• 1.3 风力发电系统并网的分类12-15
• 1.3.1 恒速恒频风电系统并网方式13-14
• 1.3.2 变速恒频风电系统并网方式14-15
• 1.4 直驱型风力发电机组的变流器拓扑结构15-17
• 1.5 本文的主要研究内容17-18
• 第二章 直驱风力发电系统的数学建模18-27
• 2.1 风力机的特性及数学模型分析18-20
• 2.2 永磁同步发电机数学模型20-24
• 2.2.1 永磁磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型20-21
• 2.2.2 永磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型21-24
• 2.3 三相 PWM 变流器基本数学模型24-25
• 2.4 直流环节的数学模型25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 永磁直驱风电变流系统控制研究27-42
• 3.1 SVPWM 调制技术27-30
• 3.1.1 电网三相电压和电压空间矢量27
• 3.1.2 电压空间矢量计算27-30
• 3.2 机侧变流器的控制策略研究30-34
• 3.3 网侧变流器的控制策略研究34-37
• 3.4 仿真结果与分析37-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 永磁直驱风力发电变流系统比例谐振控制42-59
• 4.1 比例谐振 PR 控制器42-46
• 4.1.1 比例谐振 PR 控制器的基本原理42-44
• 4.1.2 PR 控制器无静差控制理论分析44-46
• 4.2 改进型 PR 控制器设计46-51
• 4.2.1 改进型 PR 控制器的提出46-49
• 4.2.2 改进型 PR 控制器的参数设计49-51
• 4.3 基于 PR 控制的双 PWM 变流器的控制系统51-54
• 4.3.1 基于 PR 控制的机侧变流器的控制系统52-53
• 4.3.2 基于 PR 控制的网侧变流器的控制系统53-54
• 4.4 仿真结果与分析54-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 研究工作总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-64
• 攻读学位期间主要研究成果64-65
• 致谢65

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