直驱同步风力发电变流器控制研究

论文摘要

随着石化能源日趋枯竭和人类生存环境日益恶化,近年来以风能为代表的清洁能源的开发在世界范围内发展迅速。我国风能资源丰富,研究开发风力发电,将有效改善我国能源结构,缓解电力紧张的局面。本文在此背景下选题,在分析研究直驱同步风力发电系统发电机侧变流器拓扑及控制的基础上,以经典的PWM背靠背结构为原型,采用一种基于公共直流母线的直驱同步风力发电机组发电机侧多风力机、多整流器模块并联的结构。并选用适用于该风力发电系统的最大风能追踪控制方法对发电机和机侧变流器进行控制；分析由于整流器并联可能产生的均流、负荷分配问题和解决方法。通过分析研究,应用并联功率自动匹配的方法,验证了发电机侧多风力机、整流器模块并联了设计的可行性。交流电网侧通过双闭环控制,实现有功功率和无功功率的解耦控制,同时具有稳定直流母线电压的能力。论文首先介绍国内外风力发电变流器技术、最大功率获取技术、公用直流母线技术的研究现状,提出本文采用的基于公用直流母线的发电机侧变流器并联拓扑结构。第二章针对永磁同步风力发电系统最大风能追踪和最大功率获取问题进行详细论述,研究风力发电系统的最大风能追踪控制原理,对目前国内外常用的经典控制算法进行了研究。第三章针对发电机侧多风力机、多整流器模块并联结构进行深入研究,在对整流器、发电机建立数学模型的基础上,研究永磁同步发电机控制策略和最大风能追踪控制的实现方法。重点研究了在此并联结构方式下存在的负荷分配问题,采用一种功率自动匹配的解决方案。第四章对本文基于公用直流母线的交流电网侧变流器控制进行深入研究,建立变流器在不同坐标系下的数学模型,确定采用的控制方法,对控制器进行设计分析。通过采用电压外环控制、电流内环控制的双闭环控制方法,有效稳定直流母线电压。第五章在理论研究的基础上,利用Matlab/Simulink搭建系统模型。通过仿真证实本文研究设计的系统结构在稳态和动态条件下,具有响应速度快、风能利用率高、控制效果良好等特点,验证了理论研究的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外风力发电技术研究现状
• 1.2.1 直驱同步风电系统变流器技术的研究现状
• 1.2.2 风力发电系统最大功率获取技术的研究现状
• 1.2.3 公用直流母线技术及特点
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 直驱永磁同步风力发电系统功率控制研究
• 2.1 直驱永磁同步风力发电机组
• 2.2 风力发电系统最大功率控制策略
• 2.2.1 风力发电系统的最佳运行原理
• 2.2.2 风力发电系统最大功率输出运行
• 2.3 风力发电系统最大风能追踪控制策略
• 2.3.1 风力机特性研究
• 2.3.2 最大风能追踪控制原理
• 2.3.3 最大风能追踪控制算法（MPPT）分析
• 2.4 公用直流母线控制分析
• 第三章 基于公用直流母线的发电机侧变流器控制研究
• 3.1 发电机侧变流器并联控制分析
• 3.1.1 整流器并联拓扑结构研究
• 3.1.2 适应风场特性的整流器并联结构
• 3.2 整流机组并联问题研究
• 3.2.1 均流及负荷分配问题的产生
• 3.2.2 直驱同步风力发电系统的并联
• 3.3 发电机侧PMSG控制策略分析
• 3.3.1 永磁同步电机模型
• 3.3.2 PMSG控制策略分析
• 3.3.3 最大功率追踪控制策略
• 第四章 基于公用直流母线交流电网侧变流器控制研究
• 4.1 PWM变流器运行特性
• 4.2 交流电网侧三相变流器数学模型
• 4.2.1 ABC坐标系下交流电网侧变换器的数学模型
• 4.2.2 α-β坐标系下交流电网侧变换器的数学模型
• 4.2.3 d-q坐标系下交流电网侧变换器的数学模型
• 4.3 交流电网侧变流器矢量控制
• 4.3.1 电流内环控制
• 4.3.2 电压外环控制
• 4.3.3 交流电网侧变流器总体控制系统
• 第五章 直驱永磁同步风力发电系统仿真
• 5.1 系统仿真内容
• 5.2 系统仿真参数设定
• 5.3 系统仿真模型的建立
• 5.3.1 风力机模型
• 5.3.2 机侧变流器系统构建
• 5.3.3 网侧变流器系统构建
• 5.4 仿真内容及结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果