10KW风力发电机组控制

论文摘要

在并网风电领域,我国与风电强国之间还存在着较大差距,如何在风电变流系统及控制技术上拥有自己的技术,已成为我国风电产业急待解决的问题。本文以永磁直驱型风力发电机组为研究对象,对其的变流系统及控制系统进行了研究,确定变流器的拓扑结构为双PWM“背靠背”全功率变流拓扑结构。根据所提出的控制策略,以网侧变流器为例设计了控制系统的软、硬件,并通过所建立的实验平台上验证了理论的正确性。首先,在介绍空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术原理的基础上,采用SVPWM技术对变流器进行控制。并给出全功率变流器系统控制目标：电机侧变流器工作于整流状态,实现对永磁同步发电机的转速调节功能,并保证风机的最大功率点追踪；网侧变流器工作于有源逆变状态,并保证风电机组以单位功率因数并网。其次,在建立双侧变流器数学模型的基础上,电机侧变流器采用零d轴电流矢量控制方法达到控制风机转速的目的；网侧变流器采用电网电压定向控制方法实现风电机组单位功率因数并网。再次,给出了网侧变流器主电路。从直流电压快速跟随性和抗干扰性两个方面考虑,确定了直流储能电容参数。根据所使用的L一阶滤波器,从电流环的快速跟随性和抑制高次谐波两方面确定了交流侧滤波电感参数。又设计了控制电路,包括电压、电流信号检测电路,电网频率检测电路,保护电路,通讯电路及人机交互接口电路的设计。然后,对网侧变流器控制系统进行了软件设计。提出了控制系统软件结构,给出了电网相序的检测方法。针对传统锁相环的不足,设计了一种基于坐标变换的软件锁相环,能够在三相电网不平衡的情况下准确锁定电网角度,用以在变流器的解耦控制时进行坐标变换。同时又给出了变流器的双闭环控制方法及SVPWM的DSP实现方法。最后,建立了网侧变流器实验平台,对变流器的控制策略和算法进行了验证。由实验结果分析可知,并网电流与电网电压同频反相,能够实现风电机组单位功率因数并网功能。电压外环静态误差较小、动态响应快速。充分验证了变流器控制策略的有效性和正确性,达到了预期的设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 国内外风电行业发展概述
• 1.3 直驱型风电机组的发展
• 1.3.1 发电机侧变流器的发展现状
• 1.3.2 电网侧变流器的发展现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 风电机组控制系统的总体方案
• 2.1 风电系统结构的确定
• 2.1.1 风电机组类型的选择
• 2.1.2 变流系统拓扑结构的选择
• 2.2 坐标变换及空间矢量（SVPWM）调制技术
• 2.2.1 坐标变换
• 2.2.2 基本电压空间矢量
• 2.2.3 电压矢量的合成及作用时间的计算
• 2.3 控制系统设计目标
• 2.4 本章小结
• 第3章 变流器的控制策略
• 3.1 风能最大功率追踪（MPPT）原理
• 3.1.1 风机的功率输出特性
• 3.1.2 MPPT控制策略
• 3.2 电机侧全控变流器的控制
• 3.2.1 永磁同步发电机数学模型的建立
• 3.2.2 永磁同步发电机的矢量控制技术
• 3.3 网侧变流器的数学模型
• 3.3.1 网侧变流器基本数学模型
• 3.3.2 两相坐标系下的数学模型
• 3.4 网侧变流器控制系统设计
• 3.4.1 网侧变流器控制策略
• 3.4.2 解耦双闭环控制系统设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 网侧变流器系统硬件电路设计
• 4.1 变流器主电路参数设计
• 4.1.1 三相逆变桥的设计
• 4.1.2 直流侧电容的设计
• 4.1.3 交流侧电感的设计
• 4.2 信号检测及保护电路
• 4.2.1 电网电压及并网电流的检测
• 4.2.2 电网频率检测
• 4.2.3 系统保护
• 4.3 通讯与人机交互接口的设计
• 4.3.1 通讯电路的设计
• 4.3.2 液晶显示与键盘输入
• 4.4 DSP系统
• 4.5 本章小结
• 第5章 网侧变流器控制系统软件设计
• 5.1 控制系统软件结构
• 5.2 电网相序的检测
• 5.3 数字锁相环的实现
• 5.4 变流器的双闭环设计
• 5.5 SVPWM的DSP实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 样机的研制及实验结果分析
• 6.1 实验平台的构成
• 6.2 SVPWM实验分析
• 6.3 锁相环实验分析
• 6.4 网侧变流器实验
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 附录A
• 致谢