永磁直驱风电变流系统的直接功率控制及通讯功能研究

【摘要】：随着传统的一次能源不断减少和环境污染的问题日益严重,世界各国开始高度重视发展绿色环保的可再生能源,而风能作为一种重要的可再生能源获得了广泛的关注。永磁直驱风力发电系统以其结构简单、控制方便等优点而得到了广泛的应用。作为一种算法简单、动态性能良好的控制策略,直接功率控制受到了许多关注与研究。同时,通讯技术作为智能电网信息系统的重要技术支撑,研究通讯系统也具有重要的实际意义。 本文在分析永磁直驱风力发电系统的主要拓扑结构的基础上,针对其中的背靠背双PWM变流器建立了数学模型。同时,分别介绍了机侧变流器按转子磁链定向的矢量控制策略以及网侧变流器基于电网电压定向的矢量控制策略,并在Matlab/Simulink分别建立相应的仿真模型进行分析。 其次针对网侧变流器的直接功率控制策略,分别阐述了两种传统的查表式直接功率控制方案以及两种开关频率恒定的预测直接功率控制方案；接着提出了一种新的预测直接功率控制方案；并建立网侧交流器并网运行下的仿真模型,分别对上述三种直接功率控制方案进行仿真比较,得出各自的特点。 然后搭建了永磁直驱风电变流系统的硬件实验平台,并进行了控制系统软件的设计。在此基础上,在并网运行情况下,对网侧变流器分别进行直接功率控制实验和电网电压定向的矢量控制实验,对不同控制方案进行比较分析。之后针对永磁直驱风电变流系统的孤岛运行的情况建立了直接功率控制的仿真模型进行分析,并在实验平台上进行相应的实验,从而验证本文提出的预测直接功率控制方案在孤岛运行情况下的可行性。 最后详细地介绍CAN总线的特点及工作原理,并阐述了Modbus协议的内容及含义,说明了SCI通讯的工作原理。在此基础上,详述了通讯系统软件的设计,并将通讯功能加入到直接功率控制实验中,验证了通讯系统的可靠性。 【关键词】：风力发电 永磁同步发电机 直接功率控制 通讯系统
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 1. 绪论11-22
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 风力发电现状及风力发电系统简介12-16
• 1.2.1 风力发电现状12-14
• 1.2.2 风力发电系统简介14-16
• 1.3 永磁直驱风力发电系统拓扑结构16-18
• 1.4 课题研究现状概述18-20
• 1.4.1 直接功率控制研究现状19-20
• 1.4.2 电力系统通讯技术研究现状20
• 1.5 本文研究的主要内容20-22
• 2. 永磁直驱风电变流系统数学模型与矢量控制策略22-37
• 2.1 机侧变流器的数学模型与矢量控制策略22-29
• 2.1.1 机侧变流器的数学模型22-25
• 2.1.2 机侧变流器的矢量控制策略及仿真分析25-29
• 2.2 网侧变流器的数学模型与矢量控制策略29-36
• 2.2.1 网侧变流器的数学模型29-31
• 2.2.2 网侧变流器的矢量控制策略及仿真分析31-36
• 2.3 本章小结36-37
• 3. 直接功率控制策略37-61
• 3.1 查表式直接功率控制38-46
• 3.1.1 电网电压定向的查表式直接功率控制38-44
• 3.1.2 虚拟磁链定向的查表式直接功率控制44-46
• 3.2 预测直接功率控制46-54
• 3.2.1 传统的预测直接功率控制方案46-52
• 3.2.2 本文提出的预测直接功率控制方案52-54
• 3.3 同的直接功率控制方案仿真与比较54-59
• 3.3.1 查表式直接功率控制方案仿真54-55
• 3.3.2 预测直接功率控制方案仿真55-58
• 3.3.3 不同的直接功率控制方案比较58-59
• 3.4 本章小结59-61
• 4. 永磁直驱风电交流系统的直接功率控制仿真及实验61-84
• 4.1 实验平台硬件搭建及控制系统软件设计61-68
• 4.1.1 实验平台硬件搭建63-67
• 4.1.2 控制系统软件设计67-68
• 4.2 并网运行时直接功率控制实验68-78
• 4.2.1 直接功率控制实验69-75
• 4.2.2 基于电网电压定向的矢量控制实验75-78
• 4.3 孤岛运行时直接功率控制仿真与实验78-82
• 4.3.1 孤岛运行时直接功率控制仿真78-80
• 4.3.2 孤岛运行时直接功率控制实验80-82
• 4.4 本章小结82-84
• 5. 基于CAN总线的通讯系统研究84-99
• 5.1 CAN总线分析84-88
• 5.1.1 CAN总线简介84-85
• 5.1.2 CAN总线的工作原理85-88
• 5.2 基于Modbus协议的SCI通讯88-93
• 5.2.1 Modbus协议简介88-91
• 5.2.2 SCI通讯的工作原理91-93
• 5.3 通讯系统软件设计93-96
• 5.4 加入通讯功能的直接功率控制实验96-98
• 5.5 本章小结98-99
• 6. 总结与展望99-101
• 6.1 本文研究工作的总结99-100
• 6.2 未来工作的展望100-101
• 参考文献101-106
• 攻读硕士学位期间发表文章106

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