永磁直驱式风电变流器控制策略的对比研究

论文摘要

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，常规能源煤、石油、天然气等，它们不仅资源有限，而且在燃烧的过程中造成了严重的大气污染，因此，能源和环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。作为发展最快、技术最成熟、开发最具规模的可再生能源，风能扮演着尤为重要的角色，尤其是永磁直驱式风力发电系统，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的运行与控制为主题，从常用的“机侧不控整流后接升压斩波型”和“机侧控功率、网侧控母线”两种控制策略的拓扑结构和数学模型出发，对其系统组成的各个部分进行了详细的理论推导和数学建模，并基于这两种控制策略的基础上，提出“机侧控母线、网侧控功率”的新型控制策略。然后，对这三种控制策略分别进行仿真对比分析，得出相应的比较结论，对后两种控制策略还进行了实验验证。首先，介绍了风能的开发现状和风力发电技术的研究现状，并从风能的计算出发，研究了风力机的特性，同时对其进行建模与仿真。针对风电系统变流器的组成部分，对永磁同步电机、PWM变流器和直流母线环节的数学模型进行了详细的推导，为后续环节的分析奠定了基础。其次，对文中分析的前两种控制策略：机侧不控整流后接升压斩波型控制策略和机侧控功率、网侧控母线电压控制策略分别进行了详细的理论分析与仿真建模。前者机侧采用不控整流，网侧采用PWM变流器，因此不仅分析和介绍了机侧不控整流输出后的Boost升压电路与其相应的控制策略，同时还对网侧PWM变流器采用电网电压矢量定向的控制策略进行了研究；后者采用双PWM变流器，在分析了永磁同步电机采用转子磁场定向矢量控制策略后，从功率与q轴转矩电流的关系，得出机侧采用功率外环的控制方式，而网侧PWM变流器任然采用电网电压矢量定向的控制策略。紧接着，基于上述两种控制策略，从能量转换的角度出发，采用逆向思维的方式得出新型控制策略：机侧控母线电压、网侧控功率控制策略。最后，本文对文中提到的三种控制策略分别从机侧控制、直流母线环节控制和网侧控制出发，对其进行仿真对比研究，并对仿真结果的差异性进行了详细的讨论与分析，同时也从仿真的角度证明了各种控制策略的正确性与有效性。为了更为直观的描述各种控制策略的优越性，接着进行了整体控制策略的综合评估，并由此得出，控制策略一系统结构复杂，并网质量差，系统成本低，效率一般，可靠性好，适用于中小规模且对并网质量要求不高的分布式发电系统；控制策略二系统结构简单，并网质量高，系统成本高，效率一般，适用于兆瓦级的大规模并网发电系统；控制策略三系统结构简单，响应速度快，并网质量高，系统成本高，效率高，适用于兆瓦级的大规模并网发电系统等结论。对控制策略二与三的实验结果进一步验证了所提控制策略的正确性与可行性，同时还能证明控制策略三的效率高于控制策略二。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外风能开发现状
• 1.2.1 国外风能资源与开发现状
• 1.2.2 国内风能资源与开发现状
• 1.3 风力发电技术概况
• 1.3.1 风力发电机组变流技术
• 1.3.2 风力发电技术发展趋势
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁直驱式风电系统组成部分的建模与仿真
• 2.1 风力机的特性及其建模分析
• 2.1.1 风能的计算
• 2.1.2 风力机的运行特性
• 2.1.3 风力机的建模与仿真
• 2.2 永磁同步电机数学建模
• 2.3 PWM变流器数学模型
• 2.4 直流母线环节数学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 永磁直驱式风电系统控制策略的建模
• 3.1 机侧不控整流后接升压斩波型控制策略研究
• 3.1.1 升压斩波（Boost）电路模型分析
• 3.1.2 二极管整流电路
• 3.1.3 交流侧的电功率计算
• 3.1.4 最优功率点的直流电压获取
• 3.1.5 网侧PWM变流器控制策略及建模
• 3.1.6 总体控制框图与仿真
• 3.2 机侧控功率、网侧控母线电压控制策略研究
• 3.2.1 永磁同步电机转子磁场定向矢量控制原理
• 3.2.2 机侧PWM变流器控制策略及建模
• 3.2.3 总体控制框图与仿真
• 3.3 机侧控母线电压、网侧控功率控制策略研究
• 3.3.1 机侧PWM变流器控制策略及建模
• 3.3.2 网侧PWM变流器控制策略及建模
• 3.3.3 总体控制框图与仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 永磁直驱式风电系统控制策略的仿真分析与实验验证
• 4.1 机侧控制的仿真分析
• 4.2 直流母线环节控制的仿真分析
• 4.3 网侧控制的仿真分析
• 4.4 综合评估
• 4.5 双PWM控制策略的实验验证
• 4.5.1 实验控制系统的硬件设计
• 4.5.2 实验控制系统的软件设计
• 4.5.3 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间所参与的实验项目
• 致谢