永磁直驱式风力发电并网系统中变流器的研究

论文摘要

风力发电是一种可再生的清洁能源,它能够给我们带来很好的环境效益、经济效益以及社会效益。随着经济的发展,人类对能源的需求越来越大,风能的开发是解决能源需求的主要途径之一。在能源利用方面,大功率并网型风力发电是目前高效利用风能的主要方式。并网型风力发电系统的作用是将不断变化的风能通过风轮机转换成机械能,再通过发电机将机械能转换成电能,最后并入电网。由于带有增速齿轮箱的定速恒频风电机组具有运行效率低、噪声及机械损耗大等缺点,已不能适应时代的需要。因此,能够在额定风速下跟踪风能最大功率点的大功率直驱并网型风电技术已成为目前的研究的热点之一。基于上述原因,本文对直驱式并网变流电路的拓扑结构以及控制方式进行了研究。本文首先对风力发电的现状以及前景展望作了简要的介绍,并对风力发电并网方式作了详细的分析,总结了直驱式风电系统的优越性。然后,介绍了直驱式各种变流电路及其优缺点,并对永磁同步直驱型风电系统做出了详细的分析。在比较各种变流电路并考虑现有的开关器件的功率水平的基础上,研究了适合直驱并网要求的变流电路的拓扑结构,即采用三相不控整流、三个并联的Boost升压电路以及两个并联的三相SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)逆变器的拓扑结构,并描述了永磁直驱式风力发电系统的数学模型。其次,对变流电路的结构进行了说明,并对变流电路的各个部分的工作原理进行了分析。在升压斩波环节中,对采用三个并联的升压斩波器的工作原理以及最优的控制方法进行了研究。在逆变环节中,对采用两个并联的电压源SPWM逆变器的工作原理以及可以使用的直接电流和间接电流两种控制方法进行了详细的分析,针对其优缺点以及对环流和谐波的抑制能力进行了详细的比较,得出适合本文研究的逆变器的控制方法。最后,参考已有的变流器的数学模型和所计算的数据,借助MATLAB7.0/ Simulink环境,对直接电流控制的变流电路进行仿真分析。论文从系统的安全性、可靠性的角度出发,对并网过程中可能出现的问题进行针对性研究。从仿真结果上可以看出,直接电流控制方法不仅在动态响应、抗干扰能力以及在抑制并联逆变器上所出现的环流和谐波问题上都有明显的优越性。采用直接电流控制方法能够很好的实现文中所提出的变流方案,是最佳的控制方法。并网型风力发电系统中的变流电路以及控制方法具有很好的研究价值,值得继续深入研究与广泛应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 风力发电的现状及前景展望
• 1.1.1 风力发电的现状
• 1.1.2 风力发电的前景展望
• 1.2 风力发电系统的概述
• 1.3 本文所做的主要工作
• 2 直驱并网型风力发电系统及其变流电路
• 2.1 直驱式风力发电系统中各种变流电路
• 2.1.1 不控整流+晶闸管逆变器型
• 2.1.2 不控整流+直流侧电压变化的PWM电压源型
• 2.1.3 不控整流+直流侧电压稳定的PWM的电压源型
• 2.1.4 不控整流器+电流源型
• 2.2 永磁同步发电机直驱型风力发电系统
• 2.2.1 风力发电机组的空气动力学以及最大风能的捕获
• 2.2.2 永磁同步发电机直驱式并网方式
• 2.2.3 直驱并网型风力发电系统中各种变流方案
• 2.3 永磁直驱式风力发电系统的数学模型
• 2.3.1 风速模型
• 2.3.2 风力机模型
• 2.3.3 永磁同步发电机模型
• 2.3.4 变流器的模型
• 3 永磁同步电机直驱并网型变流电路的研究
• 3.1 变流器主电路研究以及工作原理
• 3.1.1 主电路的结构
• 3.1.2 主电路的工作原理
• 3.2 整流部分的电路的工作原理
• 3.2.1 整流电路工作原理
• 3.2.2 输入功率因数
• 3.3 升压斩波电路以及恒压输出原理
• 3.3.1 Boost电路工作原理、参数的设计以及模块的并联技术
• 3.3.2 Boost控制原理
• 3.3.3 控制系统的改进
• 3.4 并网型电压源逆变器及控制方法的分析
• 3.4.1 三相电压源逆变器
• 3.4.2 有功功率和无功功率的控制输出
• 3.4.3 间接电流控制和直接电流控制方法的比较
• 3.4.4 直接电流控制的网侧逆变器相关参数的计算
• 4 变流电路的建模及仿真分析
• 4.1 发电机和整流部分的仿真
• 4.2 升压斩波部分的仿真
• 4.3 逆变器并网部分的仿真
• 4.4 仿真结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果