永磁直驱风力发电系统的建模及其控制策略

发布时间：2017-10-11 10:12

  本文关键词：永磁直驱风力发电系统的建模及其控制策略

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【摘要】：当今社会,能源短缺以及环境污染两大问题已受到了世界各国的关注,绿色无污染的可再生能源是解决这两大问题的重要途径,因此在全世界得到了大规模的开发与应用。风能作为一种可再生能源,以其具有绿色无污染、资源广泛以及技术成熟等优点,近年来达到了迅猛发展,成为能源结构中的重要组成部分。目前,风电市场中主要由双馈型风电机组和直驱型风电机组组成,而永磁直驱风力发电系统因其具有能量转换效率高、结构简单、可靠性高以及并网控制灵活等优点,已成为目前风力发电技术领域主要发展方向之一。本文以永磁直驱风力发电系统为研究对象,主要对系统的建模以及控制策略展开研究,并着重研究了系统最大风能跟踪和并网控制等问题。论文首先介绍了目前国内外风力产业发展现状以及风电技术研究现状,着重对比了目前变速恒频风电机组的两大主流机型双馈型和直驱型的优缺点；其次介绍了直驱风电系统的组成以及变流器的拓扑结构,并采用基于全功率背靠背双PWM变流器拓扑结构作为本论文研究的核心结构；紧接着分析了系统各部分的原理特性和运行机理,并建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型,包括风力机模型、永磁同步发电机模型、直流环节模型、全功率变流器模型,对后续研究内容奠定了基础。第三章分析了系统机侧变流器的主要功能以及相应的控制策略。对机侧实现最大风能跟踪进行了详细分析并对现有的策略进行了改进,具体控制策略采用了转速外环和电流内环双闭环控制方式：转速外环采用最大风能跟踪策略,电流内环则采用零d轴控制策略实现对同步发电机的控制。对于变流器的控制则采用SVPWM调制方式,最终在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了整个系统的仿真模型,对机侧控制策略进行了仿真分析,验证了机侧最大风能跟踪控制策略和双闭环控制策略的正确性和有效性。第四章着重分析了永磁直驱风力发电系统的并网控制问题,电网侧控制策略采用了电压外环和电流内环的双闭环控制。电压外环主要为了稳定直流母线电压,电流内环则采用了基于电网电压定向的矢量控制实现对并网有功和无功功率控制问题。针对风速变化时直流侧电容电压因两侧功率不平衡导致电压出现波动的问题,提出了一中采用协调控制的控制策略,即将发电机输出的有功功率反馈到网侧控制量,实现稳定直流电压的目的。同样在Simulink中搭建了网侧的模型,并对网侧两种控制策略进行了分别仿真分析,验证了协调控制策略的正确性和有效性。
【关键词】：风力发电 直驱式 永磁发电机 最大风能跟踪 协调控制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题研究的背景与意义12-13
• 1.2 国内外风力发电现状13-14
• 1.2.1 国外风力发电现状13
• 1.2.2 国内风力发电现状13-14
• 1.3 风力发电技术研究现状14-17
• 1.3.1 风力发电系统的分类14-15
• 1.3.2 变速恒频风力发电系统15-17
• 1.4 本文的主要工作17-19
• 第2章 永磁直驱风力发电系统运行原理及其数学模型19-36
• 2.1 直驱型风力发电系统的基本组成19-20
• 2.2 直驱风力发电系统变流器拓扑结构20-24
• 2.2.1 机侧不可控整流拓扑结构20-22
• 2.2.2 背靠背PWM电压型变流器拓扑结构22-24
• 2.3 永磁直驱风力发电系统各部分的数学模型24-35
• 2.3.1 风力机模型24-26
• 2.3.2 永磁同步发电机模型26-32
• 2.3.3 直流环节32-33
• 2.3.4 全功率变流器模型33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 直驱风力发电系统机侧变流器控制36-54
• 3.1 机侧变流器系统的需求36-37
• 3.2 最大功率跟踪策略37-43
• 3.2.1 最佳叶尖速比控制算法37-38
• 3.2.2 爬山搜索法38-40
• 3.2.3 功率信号反馈法40-41
• 3.2.4 功率信号反馈法的优化41-43
• 3.3 系统机侧变流器控制策略43-46
• 3.3.1 电机侧变流器的矢量控制43-44
• 3.3.2 基于零d轴电流的机侧变流器控制44-46
• 3.4 机侧控制策略仿真分析46-53
• 3.4.1 风力发电机侧仿真系统46-47
• 3.4.2 风力机的仿真模型47-48
• 3.4.3 机侧PWM整流器控制控制模块48-49
• 3.4.4 仿真结果分析49-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 直驱风力发电系统网侧并网控制54-72
• 4.1 网侧变流器系统的需求54
• 4.2 网侧变流器的控制策略54-59
• 4.2.1 网侧变流器基本工作原理54-56
• 4.2.2 基于电网电压定向矢量控制56-59
• 4.3 网侧和机侧变流器协调控制59-62
• 4.3.1 网侧和机侧变流器运行特性分析60-61
• 4.3.2 基于协调控制思想的网侧变流器改进控制策略61-62
• 4.4 网侧变流控制系统仿真结果及分析62-70
• 4.5 本章小结70-72
• 第5章 总结与展望72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 附件81

【参考文献】

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1 刘波;金昊;;永磁直驱风电系统双PWM变换器前馈补偿控制[J];电力系统保护与控制;2014年15期

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本文编号：1011924