基于直接功率控制的永磁直驱风电变流系统研究

【摘要】：风能是目前最重要的清洁能源之一，具有取之不尽、用之不竭、无污染的优点，近些年来随着能源的短缺而倍受关注。同时，风电场的建设周期较传统电场短，运行成本低，自动化程度高，维护量少，所以，风力发电技术是当前最有前景的绿色能源之一。永磁直驱式风力发电系统，因其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有的优势正受到越来越多的关注，已经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。本文以永磁直驱式风电变流系统为主要研究对象，对直驱风电系统组成的各个部分进行了详细的理论推导和数学建模，并提出网侧和机侧直接功率控制策略。 首先，介绍了风力发电的发展现状和风力发电控制技术的研究现状，简述了永磁直驱风力发电机组的拓朴结构及现有控制策略，从风能的计算出发，研究了风力机的特性，介绍了永磁直驱风力发电系统的组成，并分别对各个组成部分进行数学建模，包括永磁同步发电机、双PWM变流器及直流环节等。 其次，研究了永磁直驱风力发电系统的直接功率控制策略。首先对网侧变流器的直接功率控制方法进行理论推导和数学建模，并与传统的电网电压定向矢量控制进技术行了比较。网侧直接功率控制是在电网电压定向控制的基础上加入了瞬时功率理论的思想得到的一种新型的变流器控制方法，该控制方法舍去传统电网电压定向的电流环，直接采用功率环作为内环，并采用直流电压和开关函数直接估算网侧有功功率和无功功率，可舍弃电网电压传感器，减少成本和增加系统稳定性；由于无电流环减少了坐标变换的次数，进一步增强系统稳定性。后对机侧变流器的直接功率控制策略进行理论推导和数学建模，并与传统的永磁同步电机转子磁链定向矢量控制技术相比较，转子磁链定向控制在坐标变换和电机电磁转矩方程基础上，通过控制dq轴电流，实现转矩和磁场控制，直接功率控制直接由功率经过功率调节器的调节后给出变流器开关通断所需控制量，在控制过程中，没有电流环减少了坐标变换次数，简化了传统转子磁链定向矢量控制算法的复杂度，提高了系统的稳定性。 最后，对直接功率控制的永磁直驱风力发电系统进行了仿真验证，搭建了永磁直驱风力发电系统的模拟实验平台，对所提出的直接功率控制算法进行了实验分析，仿真和实验结果证明所提出控制策略的有效性。 【关键词】：风力发电 永磁直驱 矢量控制 直接功率控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 风力发电现状及主流机型10-13
• 1.2.1 风力发电现状10-11
• 1.2.2 两大主流机型比较11-13
• 1.3 永磁直驱风电并网系统结构及控制策略研究现状13-15
• 1.3.1 直驱并网机组主要拓朴结构13-14
• 1.3.2 直驱风电机组主要控制策略14-15
• 1.4 直接功率控制研究现状15-16
• 1.5 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 永磁直驱风电系统基本组成及建模17-29
• 2.1 永磁直驱力风发电机组基本结构17
• 2.2 永磁直驱风电机组数学建模17-27
• 2.2.1 风力机建模17-21
• 2.2.2 传动链模型21-22
• 2.2.3 永磁同步发电机数学模型22-24
• 2.2.4 PWM 变流器数学模型24-26
• 2.2.5 直流母线环节数学模型26-27
• 2.3 永磁直驱风力发电机组的运行区域27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 永磁直驱风电系统直接功率控制策略29-55
• 3.1 网侧直接功率控制策略29-37
• 3.1.1 传统电网电压定向矢量控制29-32
• 3.1.2 网侧变流器直接功率控制数学模型32-33
• 3.1.3 网侧直接功率控制系统设计33-37
• 3.2 直驱风电系统机侧直接功率控制策略37-44
• 3.2.1 永磁发电机稳态运行特性分析37-39
• 3.2.2 传统转子磁链定向矢量控制39-42
• 3.2.3 机侧变流器直接功率控制系统设计42-44
• 3.3 总体控制框图及仿真模型44-46
• 3.4 仿真结果分析46-54
• 3.4.1 机侧变流器仿真结果分析46-51
• 3.4.2 网侧变流器仿真结果分析51-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 直驱风电系统直接功率控制系统实验55-64
• 4.1 实验控制系统硬件设计56-58
• 4.1.1 PWM 单元电路56
• 4.1.2 DSP 控制电路56-58
• 4.2 实验控制系统软件设计58-61
• 4.3 实验结果分析61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 参考文献66-70
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录70-71
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目71-72
• 致谢72

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