直驱式永磁风力发电机系统电能控制器设计

论文摘要

利用可再生能源代替传统化石能源,实现人类与自然的和谐相处以及人类社会的可持续发展,是21世纪人类要解决的一大问题。风能以其清洁、可再生利用、分布广泛等优点成为能源产业关注的重点,其开发利用程度、技术成熟程度与商业化程度在可再生能源中均居首位。独立运行的离网型风力发电机系统具有尺寸小、安装使用方便、成本低、效率高等特点,可用于灵活有效地开发利用沿海地区丰富的风能资源。现已应用于公路照明、家庭用电等领域。本文的研究目的就是设计一套结构简单可靠、成本低廉的小功率离网型风力发电机控制系统。本文的主要研究内容有:首先,分析了当今应用比较广泛的几种风力发电机系统,综合不同风电系统的利弊,考虑成本、维护以及可靠性等因素,本文选择了无齿轮箱、应用永磁同步发电机的直驱式系统结构方案。其次,为将空气动力学、机械学、电机学、电力电子技术等组成风力发电技术的理论应用于实际风力发电系统中,构建了直驱式永磁同步风力发电机仿真系统,将数学模型模块化,仿真结果验证了所搭建的风电控制系统的可行性,同时对硬件电路的设计与参数的选择具有一定的指导意义。进一步地,设计了风力发电机控制系统中用于电能变换的整流电路、直流升压电路、逆变电路以及控制电路等电气环节,给出了电气参数的计算方法与电路结构的设计方案。最后,在试验室环境中搭建了直驱式永磁风力发电机试验系统并进行了试验,获得了满足工频负载用电要求的电能,对试验结果进行了理论分析,验证了所设计系统的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 世界新能源的利用与风电的发展历程
• 1.1.2 中国的风能资源及风电产业的发展近况
• 1.2 典型风力发电机系统与应用
• 1.2.1 典型风力发电机系统的比较
• 1.2.2 直驱式永磁风力发电机系统的特点
• 1.2.3 风力发电电能的利用形式
• 1.3 课题的来源及研究内容
• 第2章 风力发电系统的数学模型与仿真分析
• 2.1 直驱式永磁风力发电机系统的构成
• 2.2 系统中各环节的仿真模型构建
• 2.2.1 风速仿真模型
• 2.2.2 风力机仿真模型
• 2.2.3 永磁发电机仿真模型
• 2.2.4 整流电路仿真模型
• 2.2.5 蓄电池仿真模型
• 2.2.6 直流升压电路仿真模型
• 2.2.7 逆变电路仿真模型
• 2.3 系统仿真试验与理论分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 风力发电系统中控制逆变器设计
• 3.1 控制逆变器的构成与功能
• 3.2 电路参数的计算与硬件设计
• 3.2.1 整流电路设计
• 3.2.2 直流升压电路设计
• 3.2.3 逆变电路设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 逆变器的控制策略与硬件实现
• 4.1 空间矢量脉宽调制理论
• 4.1.1 基本坐标变换关系
• 4.1.2 SVPWM技术对三相电压型逆变器的控制
• 4.1.3 SVPWM的数字化实现方法
• 4.2 控制方法的DSP实现
• 4.2.1 生成SVPWM波形的程序流程
• 4.2.2 生成SVPWM波形的寄存器设置
• 4.2.3 生成SVPWM波形的硬件工作状态
• 4.3 实现SVPWM的开发环境与运行环境
• 4.4 本章小结
• 第5章 风力发电试验系统的搭建与结果分析
• 5.1 试验系统的构成
• 5.2 试验结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢