永磁直驱风力发电系统双PWM变流器控制研究

论文摘要

随着世界各国对能源需求的日益提高，风力发电作为当今极具商业化前景的新能源发电方式，近年来倍受重视且发展迅猛。其中，直驱永磁风力发电系统以其结构简单、运行可靠以及发电效率较高等优点得到了广泛应用。首先，介绍了风力发电系统的研究背景和发展现状，着重分析了永磁直驱风力发电系统变流器的多种拓扑结构。由于系统中变流器将发电机输出的变压、变频的电能转换为恒压、恒频的电能，并且能够快速调节发电机输出的电压、电流等参数，提高系统的功率因数，因此对于整个系统的稳定、高效运行至关重要。本文采用的双PWM变流器是目前最具有优势的拓扑结构，采用适当的控制策略对直驱永磁风力发电系统进行有效的控制，是提高系统性能的关键。其次，建立了永磁直驱风力发电系统各组成部分的数学模型。根据坐标变换技术建立了永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，对发电机采用零d轴电流矢量控制策略，具体形式为转速外环、电流内环双闭环控制，实现了对发电机输出的有功功率、转矩脉动以及机组风能利用率的控制，并设计了模糊PI电流调节器，改善了系统的动态性能；分析了网侧PWM变流器的数学模型，对网侧PWM变流器采用基于电网电压定向的矢量控制策略，具体形式为电压外环、电流内环双闭环控制，通过对双PWM变流器直流侧电压的控制，实现了发电机输出的有功功率及时传递到电网，通过对电网无功电流分量的控制，实现了无功功率的独立调节，为了在风速变化较大时，保持直流侧电压稳定，设计了模糊PI电压调节器。最后，在MATLAB/Simulink环境下对永磁直驱风力发电系统进行了仿真分析，结果表明本文所采用的控制策略能够使系统实现最大功率跟踪控制，并运行在变速恒频发电状态，同时系统输出的电流正弦性好、谐波小，实现了单位功率因数并网，验证了控制策略的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 风力发电国内外开发现状
• 1.2.1 中国风力发电的开发现状
• 1.2.2 世界风力发电的开发现状
• 1.3 风力发电技术的发展现状
• 1.3.1 风力发电机组的分类
• 1.3.2 永磁直驱风力发电系统的结构
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 双 PWM 永磁直驱风电系统的数学模型
• 2.1 贝兹定理及风力机运行特性
• 2.2 永磁同步发电机建模
• 2.2.1 静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 同步旋转坐标系下的数学模型
• 2.3 网侧变流器的数学模型
• 2.4 直流环节的模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 机侧 PWM 变流器控制策略
• 3.1 机侧变流器系统的矢量控制
• 3.2 电流内环模糊 PI 调节器设计
• 3.2.1 模糊控制基本原理
• 3.2.2 模糊 PI 控制器的结构
• 3.2.3 量化因子及比例因子的确定
• 3.2.4 模糊子集和隶属函数
• 3.2.5 模糊控制规则
• 3.2.6 模糊推理机制及解模糊策略
• 3.3 本章小结
• 第4章 网侧 PWM 变流器控制策略
• 4.1 网侧 PWM 变流器的矢量控制
• 4.2 SVPWM 调制技术原理
• 4.3 PI 调节器的参数计算
• 4.4 网侧变流器模糊电压调节器设计
• 4.4.1 常规模糊 PI 调节器的设计
• 4.4.2 改进模糊 PI 控制器的设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 永磁直驱风力发电系统的仿真分析
• 5.1 系统仿真参数
• 5.2 系统在 MATLAB 中的仿真模型
• 5.2.1 机侧变流器系统仿真模型
• 5.2.2 网侧变流器系统仿真模型
• 5.2.3 系统整体仿真模型
• 5.3 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介