直驱型方波永磁同步风力发电机控制系统仿真分析

论文摘要

随着风力发电机向大型化的发展,风机与永磁同步发电机直接联接驱动结构越来越受到人们的重视。直驱型永磁同步风力发电系统因其省去了容易出故障的齿轮箱而提高了发电系统的稳定性和可靠性。针对风机追踪最大功率点的运行方式的特点,提出了变速恒频直驱型方波永磁同步风力发电系统改进的最大功率追踪（MPPT）控制策略。系统主电路为不可控整流-Boost升压电路-电压型逆变器结构型式,其控制系统实现了风机与逆变器相对独立的控制,即由Boost升压电路控制发电机的电磁转矩以实现改进的MPPT控制,而由逆变器控制实现系统并网输出电能有功功率与发电机转化输出的电能之间的平衡。改进的MPPT控制策略,可以实现风机最大限度地获得发电机电磁转矩与风机转矩的差值,从而能够快速调整风机转速追踪最优角速度。当风速下降时,提高发电机电磁转矩,机组获得充分高的减加速度,风机释放动能,而转化为电能,风电机组速度下降较快,以较快的速度达到最佳运行状态。当风速上升时,发电机保持较低的电磁转矩,机组获得较大的加速度,较快的达到最佳运行状态。功率变换装置中整流升压电路与逆变器之间有滤波储能电容存在,在发电机输入的电能与逆变器输出到电网的电能之间起到缓冲作用,使得整流升压控制与逆变控制变得非常简单。整流升压电路按照改进的MPPT控制策略,调整Boost升压电路PWM占空比来控制发电机整流输出的电流,以控制发电机电磁转矩,最大限度地捕获风能。根据发电机输入功率以及电网要求输出的无功功率控制逆变器的有功功率和无功功率的输出,同时考虑到系统的损耗和瞬时有功功率的不平衡,特意引入维持电容电压恒定的闭环控制,维持电容电压基本恒定,确保向电网逆变输出的电能质量,同时维持系统的动态功率平衡。建立了基于MATLAB/Simulink仿真环境的直驱型方波永磁同步发电系统的动态仿真模型,验证控制策略的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 风力发电技术简介
• 1.2.1 风力发电机的驱动方式
• 1.2.2 风机的功率调节技术
• 1.2.3 发电机发电技术
• 1.3 国外大容量风力发电技术简介
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 直驱式方波永磁同步风力发电系统运行原理及仿真模型
• 2.1 直驱式永磁同步风力发电系统拓扑结构介绍
• 2.1.1 齿轮箱存在的问题
• 2.1.2 直驱式变速恒频风力发电系统功率变换装置拓扑结构对比分析
• 2.2 直驱式方波永磁同步风力发电系统的数学模型
• 2.2.1 风机数学模型
• 2.2.2 方波永磁同步发电机及不可控整流器数学模型
• 2.2.3 Boost 电路模型
• 2.2.4 电压型PWM 逆变器的数学模型
• 2.3 SVPWM 调制原理以及电压利用率问题
• 2.3.1 SVPWM 调制原理
• 2.3.2 空间电压矢量的合成方式
• 2.3.3 SVPWM 与SPWM 控制方式比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 最大功率追踪策略
• 3.1 最大功率追踪策略综述
• 3.2 改进的MPPT 控制策略
• 3.2.1 自然界风能的特点
• 3.2.2 改进的MPPT 策略的控制目标
• 3.2.3 改进的MPPT 控制策略原理
• 3.3 改进的MPPT 控制策略仿真
• 3.3.1 仿真模型的建立
• 3.3.2 仿真结果的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 升压电路与逆变器的独立控制运行方式
• 4.1 升压电路的控制
• 4.2 逆变装置的跟踪指令电压矢量SVPWM 电流控制
• 4.3 方波永磁同步发电机转速调节与逆变器并网控制的仿真
• 4.3.1 仿真模型搭建
• 4.3.2 仿真结果的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢