直驱式风电系统并网变流器及其控制策略研究

【摘要】：众所周知,风无处不在,无时不在,不会随着时间的流逝而消失,因此风能是一种可再生能源,有着不可估量的潜在价值。因此建造大型的大容量的风力发电系统或风电场是很有必要的。随机科技的进步,各种各样的风电系统已经建成并投入到生产运行中,在这些风电系统中变速恒频发电模式得到了人们的认可,也逐渐取代了现有的发电系统而成为佼佼者。直驱式风电系统采用较低速度的PMSG,无需齿轮箱,提高了机组的可靠性,降低了噪声。电机的转子为永磁体结构,不必要借助励磁电源进行励磁,因此其工作效率高、寿命长、重量轻。因此直驱式风力发电系统已成为未来风电发展的趋势之一。而本文就是在众多学者研究的基础之上对直驱式风电系统中的变流器及其对应的控制策略进行了深入的研究。本课题所做的主要工作现归纳为如下几个方面:对不同类型的风电系统进行比较分析,综述了几种常用的风力发电系统,给出了它们的拓扑结构及其所涉及的发电机类型,定量的比较了这几种风电系统相同与不同与之处,分析彼此之间的利弊和适用范围,讨论了风机的发展趋势及今后的工作重点。这些工作和经验有着很高的参照价值,可以作为后人选择或研究风电系统的依据。为了研究风力发电系统的特点和对所设计的风电系统的性能进行验证。本论文对风电机组的每一块都进行了全面的分析研究,借助于各种参考资料推导出了各个部件的数学公式,例如风速的数学公式、永磁同步发电机在各种形态下的数学公式、整理器和逆变器的数学公式等。本文对1.2MW的直驱式变速恒频风电系统中的变流器进行了深入的研究,提出了一种适用与此系统的变流器方案,变流器使用二极管进行不可控整流+升压斩波电路+SVPWM逆变电路的拓扑结构。对原有的单重Boost升压变流电路进行了改进,提出了多重化并联升压变流电路,给出了系统的状态方程与控制策略,并对这种电路的输入电流纹波进行了分析。研究了几种典型的最大功率点追踪(mppt)调制算法,即基于风力机功率曲线的最大功率点跟踪控制、基于最佳叶尖速比的最大功率点跟踪控制、基于最佳转矩控制的极大功率点追踪控制和基于爬山搜索的最大功率点跟踪控制并在原有的爬山搜索算法的基础之上提出了一种新型的爬山算法,对原有爬山算法进行了改进,提高了最大功率的搜索速度与准确性。本文详细的研究了网侧逆变器间接电流调控方法和直接电流调控方案,结合1.2WM直驱式风电系统的特点本文采用直接电流控制策略对网侧逆变器进行控制。末尾,在Matlab里面编写了控制算法程序并搭建了风电机组中各个部件的模型,对变流器及其控制策略的可行性进行验证。结果表明:系统能够稳定运行、效率高、纹波小、满足风力发电系统对电压稳定性的要求,具有很好的实际应用价值。 【关键词】：变速恒频 变流器 控制策略 爬山算法 间接电流控制
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 引言11-22
• 1.1 课题研究的背景和意义11-13
• 1.1.1 课题研究的背景11-12
• 1.1.2 课题研究的意义12-13
• 1.2 风力发电技术发展现状13-21
• 1.2.1 典型风力发电系统概述13-17
• 1.2.2 直驱式风电系统变流技术国外研究现状17-19
• 1.2.3 直驱式风电系统变流技术国内研究现状19-20
• 1.2.4 风力发电的发展趋势和今后工作重点20-21
• 1.3 本课题主要研究内容21-22
• 2 直驱式风电机组建模22-36
• 2.1 风速模型22-24
• 2.2 风力机系统模型24-26
• 2.3 直驱式永磁同步发电机模型26-30
• 2.3.1 永磁同步发电机结构26-27
• 2.3.2 永磁同步发电机动态模型27-29
• 2.3.3 永磁同步发电机稳态模型29-30
• 2.4 变流器模型30-35
• 2.4.1 变流器在三相静止坐标系下的数学模型30-31
• 2.4.2 变流器在同步旋转坐标系下的数学模型31-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 直驱式风电系统变流器研究36-56
• 3.1 直驱型发电系统变流方案36-38
• 3.1.1 背靠背双PWM变流器36-37
• 3.1.2 不控整流+Boost斩波+逆变器37-38
• 3.2 三相不可控整流电路38-41
• 3.2.1 整流输出电压38-40
• 3.2.2 整流电路参数计算40-41
• 3.3 Boos升压斩波变流器41-51
• 3.3.1 单通道升压变流器41-43
• 3.3.2 改进型多通道升压变流器43-47
• 3.3.3 改进型升压变流器状态方程计算47-48
• 3.3.4 改进型升压变流器纹波电流分析48-50
• 3.3.5 升压变流器参数计算50-51
• 3.4 网侧电压源逆变器51-55
• 3.4.1 电压源逆变器数学模型分析51-55
• 3.4.2 电压源逆变器参数计算55
• 3.5 本章小结55-56
• 4 变流器控制策略的研究56-77
• 4.157-65
• 4.1.1 最大功率点跟踪（MPPT）控制57-61
• 4.1.2 优化爬山搜索算法61-64
• 4.1.3 机侧升压变流电路控制64-65
• 4.2 网侧逆变器控制策略研究65-67
• 4.3 网侧逆变器SVPWM调制的实现67-74
• 4.4 SVM算法计算机仿真实现74-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 系统仿真与分析77-89
• 5.1 直驱式风力发电系统仿真建模77-81
• 5.1.1 风力机仿真模型77-78
• 5.1.2 发电机仿真模型78-79
• 5.1.3 SVPWM仿真模型79-81
• 5.2 系统仿真结果分析81-87
• 5.3 本章小节87-89
• 6 结论与展望89-91
• 参考文献91-95
• 附录1 永磁同步发电机参数95-96
• 作者简历96-97
• 学位论文数据集97

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