采用矩阵变换器的直驱式永磁风力发电机运行控制研究与实现

论文摘要

风能作为一种清洁的可再生能源,越来越被人们所关注,风力发电更是受到人们的重视。现代风力发电技术的发展趋势一是无刷化,二是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机,其中最典型的是直驱式永磁风力发电机。尤其是大型直驱式永磁风力发电机,结构简单,运行可靠,适合于我国风力资源丰富的特点,具有广阔的推广应用前景。矩阵变换器是一种性能优良的新型交-交变频器,与传统的交-直-交型变频器相比具有如下显著优点:无需直流环节,动态响应快;传输能量密度大,体积小;输入功率因数可调;能够实现四象限运行等。随着大功率电力电子器件的发展和对控制方法的研究的深入,矩阵变换器将给能源、电气传动及高性能伺服控制等领域带来深远的影响。本文分析了矩阵变换器空间矢量调制基本原理,建立了矩阵变换器的数学模型;分析了永磁同步发电机的数学模型和稳态等效电路,建立了基于转子永磁体磁链定向的永磁同步发电机的数学模型。在此基础上,提出了一种采用矩阵变换器的直驱式永磁风力发电机控制系统。该系统利用矩阵变换器的先进拓扑结构和控制策略,实现永磁同步发电机在并网状态下的稳定运行。为了验证其运行效果,建立了包括模拟风力机、永磁同步发电机、矩阵变换器及控制部分的仿真模型,并进行了深入的分析研究。仿真结果体现了该系统的优良特性,验证了该方案的正确性和可行性。本文提出了一种采用DSP为主控制器、FPGA为协处理器的高性能矩阵变换器控制系统设计方案。通过对空间矢量调制和四步换流策略进行合理的功能划分,成功地设计了矩阵变换器的实验系统。在此基础上,搭建了基于矩阵变换器空间矢量调制的直驱式永磁风力发电实验平台,对直驱式永磁风力发电系统的输入、输出特性进行实验验证。实验结果表明,运用本文所述的基于转子永磁磁场定向的矢量控制方法和矩阵变换器空间矢量调制策略,能够实现对输出电压电流及输入功率因数的调节控制,为更深入的研究工作奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 直驱式永磁风力发电的发展概况
• 1.1.1 直驱式永磁风力发电的优势
• 1.1.2 直驱式永磁风力发电国内外发展现状
• 1.2 矩阵变换器的发展概况
• 1.2.1 矩阵变换器的优势
• 1.2.2 矩阵变换器的发展及研究现状
• 1.3 本文的研究意义及主要研究内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究主要内容
• 第二章 基于空间矢量调制的矩阵变换器控制原理与仿真研究
• 2.1 矩阵变换器控制原理
• 2.2 矩阵变换器空间矢量调制原理
• 2.2.1 VSI输出线电压空间矢量调制
• 2.2.2 VSR输入相电流空间矢量调制
• 2.2.3 矩阵变换器空间矢量调制
• 2.3 矩阵变换器仿真模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 新型直驱式永磁发电系统的建模与仿真研究
• 3.1 风力机的基本特性
• 3.2 三相静止坐标系下永磁同步发电机电压及磁链方程
• 3.2.1 电压方程
• 3.2.2 磁链方程
• 3.3 同步旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型
• 3.3.1 同步坐标系下永磁同步发电机电磁方程式
• 3.3.2 同步坐标系下永磁同步发电机的等效电路
• 3.3.3 同步坐标系下永磁同步发电机的相量图
• 3.4 永磁同步发电机矢量控制策略
• 3.5 仿真结果分析
• 3.5.1 系统仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 矩阵变换器空间矢量调制控制系统设计
• 4.1 矩阵变换器控制系统设计方案
• 4.2 系统控制电路设计
• 4.2.1 基于DSP的矩阵变换器控制器设计
• 4.2.2 基于FPGA的开关函数合成电路及换流电路设计
• 4.3 系统主电路设计
• 4.3.1 双向开关矩阵设计
• 4.3.2 输入滤波器设计
• 4.3.3 箝位电路设计
• 4.3.4 驱动电路设计
• 4.4 系统软件设计
• 4.4.1 主程序设计
• 4.4.2 中断服务程序设计
• 4.5 系统调试
• 4.6 本章小结
• 第五章 采用矩阵变换器的直驱式永磁风力发电系统的实验研究
• 5.1 系统输出特性实验
• 5.2 输入滤波特性实验
• 5.2.1 输入滤波前特性实验
• 5.2.2 输入滤波后特性实验
• 5.3 功率因数调节特性实验
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢