小型永磁直驱风电系统网侧变换器研究

论文摘要

由于传统能源危机以及化石能源燃烧造成的环境危机,发展可再生能源势在必行。风力发电是一种清洁无污染、安全可靠的可再生能源,近些年来发展极为迅速,而小型永磁直驱风力发电系统应用前景广阔,受到广泛重视。变换器是小型永磁直驱风电系统的技术核心,在风电系统中有着至关重要的作用。本文主要对小型永磁直驱风力发电系统网侧变换器进行了研究。本文首先介绍了世界和中国风力发电目前的研究现状以及未来的发展趋势;对永磁直驱式风力发电系统变流技术进行了分析,结合小型永磁直驱风力发电系统的特点,选取了背靠背变换器作为小型永磁直驱风力发电系统的拓扑结构。其次,对小型永磁直驱风电系统网侧变换器并网控制策略进行了研究。建立了网侧变换器在dq坐标系下的数学模型,在其基础上研究了传统PI控制电流内环、电压外环的并网控制策略,在此基础上进一步研究了高阶非奇异终端滑模控制电流内环、PI控制电压外环的并网控制策略,并进行了对比研究,结果表明采用高阶非奇异终端滑模变结构控制策略响应更快,在电网电压波动以及直流侧输入变化时鲁棒性更好。同时为了获取电网的相位信息,设计了三相软件锁相环,克服了硬件锁相电路在电网电压畸变时不能准确锁相的缺点。然后,针对电网电压跌落的故障,分析了永磁直驱风力发电系统常用的几种低电压穿越方案,对比研究后采用了带有卸荷电阻的Crowbar保护电路低电压穿越方案,分析了卸荷电阻参数的选取原则及卸荷电阻的投切策略,并在MATLAB/Simulink里搭建了仿真模型,仿真结果验证了该方案的简单有效性。根据指标要求,设计了小型永磁直驱风力发电系统网侧变换器的硬件电路和软件流程;在硬件方面,设计了网侧变换器的主电路、采样电路、隔离电路、保护电路以及辅助电源电路等;在软件方面,设计了并网控制算法的流程,并重点说明了PWM中断服务子程序、AD采样中断服务子程序及故障保护子程序。最后,搭建了以TMS320F2812为主控芯片小型永磁直驱风力发电系统网侧变换器实验平台,对网侧变换器的并网控制策略进行了实验验证,分析了实验波形,结果证明了并网控制策略的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 风力发电的发展和现状
• 1.2.1 国外风力发电发展和现状
• 1.2.2 国内风力发电发展现状
• 1.2.3 变速恒频风力发电系统
• 1.2.4 风力发电技术的控制技术
• 1.2.5 风力发电发展趋势
• 1.3 永磁直驱风电系统变流技术
• 1.3.1 不可控整流器后接晶闸管逆变器
• 1.3.2 不可控整流器后接直流侧电压变化的PWM 电压源型逆变器
• 1.3.3 不可控整流器后接直流侧电压稳定的PWM 电压源型逆变器
• 1.3.4 不可控整流器后接电流源型逆变器
• 1.3.5 双PWM 电压源型逆变器
• 1.4 低电压穿越技术
• 1.4.1 双馈风电系统低电压穿越技术
• 1.4.2 永磁直驱风电系统低电压穿越技术
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 永磁直驱风电系统并网控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 网侧变换器的数学模型
• 2.2.1 坐标变换
• 2.2.2 网侧变换器在dq 坐标系下的数学模型
• 2.3 基于PI 控制的网侧变换器并网控制策略
• 2.4 三相软件锁相环
• 2.5 基于滑模变结构控制的网侧变换器并网控制策略
• 2.6 仿真分析
• 2.6.1 锁相环仿真波形
• 2.6.2 基于PI 控制网侧变换器仿真波形
• 2.6.3 基于滑模变结构控制的网侧变换器波形
• 2.7 本章小结
• 第3章 永磁直驱风电系统低电压穿越技术
• 3.1 低电压穿越概述
• 3.1.1 低电压穿越的定义
• 3.1.2 低电压穿越的必要性
• 3.1.3 低电压穿越技术的相关规定
• 3.2 低电压穿越方案分析
• 3.2.1 带有储能装置的 Crowbar 保护电路
• 3.2.2 带有辅助变换器的Crowbar 保护电路
• 3.2.3 带有卸荷电阻的 Crowbar 保护电路
• 3.3 带有卸荷电阻的 Crowbar 保护电路
• 3.3.1 卸荷电阻参数的选取
• 3.3.2 卸荷电阻的控制策略
• 3.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 小型永磁直驱风电系统网侧变换器设计
• 4.1 引言
• 4.2 网侧变换器硬件电路设计
• 4.2.1 网侧变换器的电路结构
• 4.2.2 主电路参数设计
• 4.2.3 控制电路设计
• 4.2.4 保护电路设计
• 4.2.5 辅助电源设计
• 4.3 网侧变换器软件设计
• 4.3.1 控制芯片的选取
• 4.3.2 软件总体设计
• 4.3.3 PWM 中断服务子程序设计
• 4.3.4 AD 采样中断服务程序设计
• 4.3.5 故障保护子程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 设计指标
• 5.2 系统实验平台
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢