直驱永磁风力发电系统变流器的控制研究

论文摘要

直驱永磁风力发电系统省去了齿轮箱,减少了维护工作,并网功率控制灵活,风力系统整体效率得到很大的提高,成为继双馈风力发电系统之后风力发电技术领域的重要研究方向。全功率变换器是直驱风力发电系统的关键部分,在风力发电中人们普遍采用的是传统两电平变流器,随着单机容量的增大,在开关管耐压水平未取得突破的前提下,全功率三电平变流器因其减小开关电压应力、抑制谐波、减少电磁转矩脉动等优点,非常适合应用到直驱风力发电系统中去。本文采用二极管箝位三电平变流器作为直驱风力发电全功率变流器的拓扑,对变流器的数学模型和控制策略进行了分析仿真。分析了风力机的动力学特性和运行特性,研究了额定风速下采用最佳转速的最大风能跟踪控制策略。分析了电网侧三电平并网逆变器的数学模型,引入平衡滞环因子抑制了中点电压的偏移;通过基于电网电压定向的矢量控制,为逆变器直流侧提供了稳定的母线电压;通过控制电网无功电流分量,实现无功功率的独立调节。分析了永磁同步发电机的数学模型和三电平整流器的数学模型,研究了基于双三电平变流器的最佳转速的直驱永磁风力发电机矢量控制系统。并且与两电平系统从三相电流波形、电磁转矩波形进行了详细的对比分析,分析发现采用三电平变流器后,电流的谐波明显减少,更加接近正弦波,电磁转矩脉动得到改善。最后,设计一台三电平并网逆变器实验装置。实验装置包括三电平变流器主电路器件的选型,采样电路,驱动保护电路等。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 风力发电的意义
• 1.2 风力发电的发展状况
• 1.3 直驱永磁同步风力发电系统的特点和研究现状
• 1.4 本文的研究目的与内容
• 2 风力机的特性分析
• 2.1 风力机的动力学分析
• 2.2 风力机的运行特性分析
• 2.3 风力机的建模与仿真
• 2.4 本章小结
• 3 三电平并网逆变器的数学建模及控制系统的设计
• 3.1 三电平并网逆变器的基本控制原理
• 3.2 三电平并网逆变器的数学模型
• 3.2.1 ABC 三相静止坐标系下的数学模型
• 3.2.2 dq 两相同步旋转坐标系下的数学模型
• 3.3 本章小结
• 4 三电平空间电压矢量（SVPWM）及中点电压平衡的控制
• 4.1 三电平空间电压矢量（SVPWM）调制原理
• 4.1.1 三电平并网逆变器空间电压矢量分布
• 4.1.2 三电平SVPWM 控制基本原理和技术特点
• 4.2 三电平并网逆变器中点电位平衡
• 4.2.1 三电平并网逆变器中点电压不平衡原因
• 4.2.2 中点电位平衡控制方法
• 4.2.3 三电平并网逆变器的控制算法仿真与分析
• 4.3 本章小结
• 5 基于最佳转速跟踪的直驱永磁风力发电系统的矢量控制
• 5.1 永磁同步电机的数学模型
• 5.2 机侧三电平整流器的建模
• 5.2.1 ABC 三相静止坐标系下的数学模型
• 5.2.2 dq 两相同步旋转坐标系下的数学模型
• 5.3 基于最佳转速跟踪的风力发电系统的矢量控制
• 5.4 本章总结
• 6 三电平并网逆变器的设计
• 6.1 系统硬件设计
• 6.1.1 硬件电路总体结构
• 6.1.2 主电路设计与实现
• 6.1.3 驱动保护电路
• 6.1.4 采样电路的设计
• 6.1.5 过零检测的设计
• 6.2 系统软件设计
• 6.2.1 DSP 系统的资源分配
• 6.2.2 控制算法的软件实现
• 6.2.3 相关实验
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录