基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真

【摘要】： 风能作为一种清洁的可再生能源,不仅可以缓解能源危机,而且有利于环保,可带来直接的经济效益和社会效益,因此近年来受到各界广泛关注,风电产业也发展迅猛。目前获得广泛应用的并网型风力发电系统多采用异步发电机,但是效率不高。并且由于必须采用升速齿轮箱,系统的可靠性不高。而采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统,因其具有效率高、制造方便、控制效果好等优点,逐渐成为人们研究的焦点。本文主要针对永磁直驱风电系统系统进行建模和仿真研究。 风力发电系统包括两个能量转换过程,即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。本文通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理,建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型。具体包括风速数学模型、风力机数学模型、永磁同步发电机数学模型和电能转换模块数学模型,并在Matlab/Simulink环境下搭建了整个仿真系统的模型。文章提出了基于发电机转子磁场定向的机侧变流器矢量控制方法,实现了最大风能捕获,提高了发电机的效率。同时本文对永磁直驱风力发电控制系统的无位置传感器算法进行了深入研究,解决了由于安装位置传感器所带来的转动惯量增加,系统易受外界干扰,可靠性降低等问题。对于网侧逆变器的控制,采取了直流电压环和无功电流内环的双闭环控制策略,实现了将直流电逆变为与电网同频率、同幅值的交流电,维持直流侧电压恒定,并能根据电网需求实现与电网间的无功交换的控制目标。 建模与仿真是研究分析机电系统性能的有效方法和重要手段。Matlab/Simulink仿真工具虽然提供了丰富的模块库,但电机均为传统电机,如异步感应电机,绕线式同步电机,以及无刷双馈电机等,不能直接用于永磁直驱风电系统的仿真研究。本文基于Simulink仿真技术,构建了永磁同步发电机通用模块,并进行封装,从而为该种发电机系统的仿真研究提供了方便、可靠的工具。 通过以上研究,为建立具有我国自主知识产权的新型永磁直驱风电机组奠定了理论和试验基础。 【关键词】：永磁同步发电机 直驱式风电系统 数学模型 建模仿真
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-10
• 插图索引10-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 课题研究背景及研究意义12-13
• 1.1.1 课题研究背景12
• 1.1.2 课题意义12-13
• 1.2 国内外风力发电现状13-16
• 1.2.1 国内风力发电现状13-14
• 1.2.2 国外风力发电现状14-16
• 1.3 风力发电技术研究现状16-20
• 1.3.1 发电机的变速恒频发电技术16-17
• 1.3.2 目前国内外常用的风电机组的主要类型17-19
• 1.3.3 风电技术的发展趋势19-20
• 1.4 本文主要研究工作20-21
• 第2章 直驱式风电系统运行原理和数学建模21-36
• 2.1 直驱式风电系统的基本结构、运行原理和优势21-22
• 2.2 直驱式风力发电系统几种常用拓扑结构简介22-25
• 2.2.1 不控整流后接逆变器拓扑分析22-23
• 2.2.2 不控整流后接DC/DC变换再接逆变器拓扑分析23-24
• 2.2.3 背靠背双PWM变流器拓扑分析24
• 2.2.4 大功率变流器拓扑分析24-25
• 2.3 直驱式风电系统主要组成部分数学模型25-34
• 2.3.1 风速数学模型25-26
• 2.3.2 风力机数学模型26-28
• 2.3.3 轴系数学模型28
• 2.3.4 直驱式变速恒频永磁同步发电机的数学模型28-30
• 2.3.5 直流环节30-31
• 2.3.6 全功率变流器数学模型31-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 永磁直驱风电系统的控制策略分析36-50
• 3.1 风力机最大风能捕获原理36-38
• 3.2 SVPWM空间矢量控制技术基本原理38-41
• 3.3 永磁直驱风力发电系统变流器控制策略41-49
• 3.3.1 变流器控制整体方案的提出41-43
• 3.3.2 网侧电流环和电压环设计43-46
• 3.3.3 交流侧电感选择46
• 3.3.4 直流侧电容选择46-47
• 3.3.5 转子位置角的估计47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 永磁直驱风电系统建模与仿真分析50-64
• 4.1 风力发电系统建模和仿真概述50-55
• 4.1.1 进行建模仿真研究的必要性50-51
• 4.1.2 风电机组建模仿真方法及存在问题51-52
• 4.1.3 主要仿真软件简介52-53
• 4.1.4 风力发电系统建模与仿真研究现状53-55
• 4.2 直驱式风电系统的仿真实现55-59
• 4.2.1 风力机的仿真模型55-56
• 4.2.2 永磁同步发电机的仿真模型56
• 4.2.3 SVPWM脉冲输出仿真模型56-57
• 4.2.4 永磁直驱风电系统整体仿真模型57-59
• 4.3 仿真结果分析59-63
• 4.4 本章小结63-64
• 总结与展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录70-71

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