永磁直驱风电系统中网侧变换器控制与风机模拟技术研究

论文摘要

风能是近年来全世界发展最快的可再生能源,受到了世界各国的广泛关注。直驱式变速恒频风力发电系统效率高、拓扑结构简单及运行稳定,代表了风力发电技术的发展趋势,也是当前研究热点之一。本文主要研究基于永磁发电机的直驱风力发电系统中网侧变换器的控制及风机模拟的实现。首先,本文在介绍直驱风力发电系统的电能变换器拓扑结构的基础上,选择可独立控制电机侧变换器和网侧变换器的PWM变换器作为永磁直驱风力发电系统的电能变换器,并对其主回路器件参数进行了优化设计。在选择控制器硬件类型和软件架构的基础上,对网侧变换器控制软件的结构、流程、模块化设计思想等进行了阐述。其次,PWM变换器的控制技术是直驱风力发电技术的核心,本文设计了PWM变换器基于PI调节器的双闭环控制系统,采用三相软件锁相环提高网侧PWM变换器控制中的电网电压定向精度,并对网侧变换器软起动策略进行了研究和设计,以期减小系统起动时的电流冲击,取得较好的静态和动态调整效果。另一方面,在风力发电系统的研究和开发过程中,如何构建风机模拟器以提供可控的风机特性越来越重要。本文首先建立风力机基于CT-λ特性的简化数学模型,确定风机模拟器的系统结构和模拟方案,并基于直流电机分别分析转矩和转速模拟方案的实现方法,在软硬件设计的基础上搭建起实验室风机模拟平台。对风机模拟器的静态和动态响应、不同模拟方案时的转矩和转速变化、单风速和多风速时的系统特性都要进行实验验证;还要对风速模拟和风力机动态特性进行仿真研究,为以后的进一步研究奠定理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 风力发电技术国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国内外风电发展现状及前景
• 1.2.2 国内外风力发电技术发展趋势
• 1.2.3 变速恒频风力发电技术
• 1.2.4 直驱式电能变换器控制技术
• 1.3 风机模拟技术的研究现状
• 1.3.1 风机模拟技术简介
• 1.3.2 风机模拟技术研究现状
• 1.4 本论文研究的目的和主要内容
• 第2章 直驱风力发电系统变换器软硬件设计
• 2.1 直驱风电系统变换器主回路参数设计
• 2.1.1 直流母线电压的选取
• 2.1.2 直流母线滤波电容的选取
• 2.1.3 开关器件模块的选取
• 2.1.4 网侧滤波器设计
• 2.2 直驱风电系统网侧变换器控制软件设计
• 2.2.1 DSP 平台及软件架构的选择和设计
• 2.2.2 控制软件的模块化设计
• 2.2.3 软件开发中的问题及探讨
• 2.3 本章小结
• 第3章 直驱风力发电系统网侧变换器及其控制
• 3.1 引言
• 3.2 网侧变换器的数学模型
• 3.2.1 采用开关函数描述的网侧变换器数学模型
• 3.2.2 采用占空比描述的网侧变换器数学模型
• 3.2.3 同步旋转dq 坐标系下网侧变换器的数学模型
• 3.3 网侧变换器的控制策略研究
• 3.4 三相软件锁相环在网侧变换器中的应用
• 3.5 网侧变换器的软启动
• 3.6 本章小结
• 第4章 直驱风电系统中的风机模拟技术研究
• 4.1 风力机的数学模型
• 4.2 风机模拟器的结构及功能
• 4.2.1 风机模拟器的结构
• 4.2.2 风机模拟方案选择
• 4.3 风机模拟器硬件及软件设计
• 4.3.1 风机模拟器硬件设计
• 4.3.2 风机模拟器软件设计
• 4.4 实验及仿真波形
• 4.4.1 直流电机双闭环调速实验
• 4.4.2 转矩控制方案风机模拟实验
• 4.4.3 转速控制方案风机模拟实验
• 4.4.4 变风速风机模拟实验
• 4.4.5 风速模拟仿真波形
• 4.4.6 风机动态特性模拟仿真波形
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统实验及实验结果
• 5.1 引言
• 5.2 永磁直驱风电系统网侧变换器实验平台
• 5.3 网侧变换器的实验结果
• 5.3.1 电流环控制实验
• 5.3.2 双闭环控制实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢