永磁直驱式潮流发电系统建模及其控制系统设计

发布时间：2020-11-22 07:04

　　 近几十年来,由于不断恶劣的环境问题和能源问题,新能源并网发电的浪潮冲击全球,相关技术蓬勃发展。但是由于新能源的间歇性与随机性,大规模新能源并网给电网稳定、电能质量带来了重大挑战。虽然潮流发电已经成为当前的研究热点,但针对上述问题,仍然亟待系统、全面、深入地研究潮流发电系统中变流器建模与控制问题,并提出准确实用的设计方法。本文主要以研究背靠背永磁直驱式发电系统建模与控制系统设计为主题。首先介绍了潮流能的能量转换原理以及对应的水轮机水力特性,建立了工程上实用的水轮机模型。然后,为了简化控制系统设计,推导出永磁电机在旋转坐标系的dq模型。一方面在此模型下,分析了转子磁链定向的转速外环电流内环的双闭环永磁电机控制策略及其控制器设计;另一方面,在上述PMSM连续模型的基础上,本文进一步研究了离散域下PMSM的控制问题,将现代控制理论中的带闭环全阶状态观测器的状态反馈方法,很好的应用到直接定子磁链矢量控制当中。接着,详细介绍了三相PWM并网逆变器在离散域下交流小信号模型的建立过程,推导出控制系统需要的SISO模型。结合推导的模型,建立基于电网电压矢量定向的直流电压外环电流内环的双闭环三相PWM并网逆变器控制策略。为了观察控制延时对系统动静态性能的影响,分别在不同控制延迟下,研究各控制环的根轨迹,借此寻找性能较好主导极点和临界频率。另外,通过对比七段SVM开关波形中基本矢量有效占空比与各相占空比的关系,文中推导出空间矢量调制(SVM)三相占空比与三相参考电压的表达式,推导出一种无需分区和坐标变换基于静止坐标下SVM的简化算法。最后,在简要介绍最大功率追踪的基础上,对机侧换流器和网侧换流器联合仿真,验证本文所提设计方法的正确性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P743
【文章目录】：
致谢
摘要
英文摘要
1. 绪论
    1.1 课题的背景
    1.2 潮流发电的发展现状及趋势
        1.2.1 国外潮流发电现状及发展趋势
        1.2.2 我国潮流发电现状及发展趋势
    1.3 目前主流的潮流发电系统简介
        1.3.1 交流励磁双馈发电机变速恒频潮流发电系统
        1.3.2 无刷双馈发电机变速恒频潮流发电系统
        1.3.3 直驱式永磁同步发电机变速恒频潮流发电系统
    1.4 并网逆变器研究现状
    1.5 永磁同步电机控制研究现状
    1.6 本论文研究的主要工作
2. 流体基本理论及水轮机特性分析
    2.1 流体能量转换基本理论
        2.1.1 流体能量的计算
    2.2 水轮机特性分析
        2.2.1 水轮机的特性系数
        2.2.2 水轮机的数学模型
        2.2.3 水轮机的特性仿真分析
    2.3 本章小结
3. 永磁同步电机的数学模型及控制策略
    3.1 典型永磁同步电机控制简介
    3.2 永磁同步发电机的数学模型
        3.2.1 推导永磁同步发电机数学模型的前提假设
        3.2.2 ABC三相坐标系中同步电机数学模型
        3.2.3 αβ0坐标系中同步电机数学模型
        3.2.4 dq0坐标系中同步发电机的数学模型
        3.2.5 电流内环、转速外环双闭环控制策略
d=0控制及其PI调节器的参数设计'>        3.2.6 i_d=0控制及其PI调节器的参数设计
        3.2.7 双闭环永磁同步电机矢量控制仿真
    3.3 基于离散域带全阶状态观测器永磁同步电机直接定子磁链矢量控制
        3.3.1 带全阶状态观测器永磁同步电机直接定子磁链矢量控制概述
        3.3.2 连续域下永磁同步电机状态空间数学模型
        3.3.3 离散域下永磁同步电机状态空间数学模型
        3.3.4 直接定子磁链矢量控制的实现
        3.3.5 定子磁链矢量参考值计算
        3.3.6 闭环系统极点配置
        3.3.7 定子磁链全阶状态观测器
        3.3.8 具有参考输入的控制系统设计
    3.4 离散域下永磁同步电机直接定子磁链矢量控制仿真验证
        3.4.1 定子磁链内环运行
        3.4.2 稳态速度外环运行
    3.5 本章小结
4. 电压型PWM三相并网逆变器建模分析及其控制策略
    4.1 三相电压型并网逆变器概述
    4.2 三相电压型并网逆变器建模
        4.2.1 三相电压型并网逆变器的开关周期平均模型
        4.2.2 αβ坐标系下三相电压型并网逆变模型
        4.2.3 dq0旋转坐标系下三相电压型并网逆变器模型
        4.2.4 三相PWM并网逆变器交流小信号模型
    4.3 基于静止坐标系下空间矢量调制（SVPWM）技术简化算法
    4.4 基于离散域PWM并网逆变器小信号模型的控制策略及PI调节器设计
        4.4.1 PWM并网逆变器控制原理
        4.4.2 基于电网电压定向的矢量控制（VOC）并网逆变器控制策略
        4.4.3 数字控制三相PWM并网逆变器交流小信号控制性能分析
        4.4.4 基于离散小信号模型三相PWM并网逆变器仿真实验验证
    4.5 本章小结
5. 永磁直驱潮流发电系统的仿真分析
    5.1 潮流能最大功率追踪原理
    5.2 双PWM永磁直驱潮流发电系统控制策略
    5.3 永磁直驱潮流发电系统仿真分析
        5.3.1 水轮机功率系数与叶尖速比波形分析
        5.3.2 发电机角速度与电磁功率波形分析
        5.3.3 直流母线电压波形分析
        5.3.4 并网电压电流及并网功率波形分析
    5.4 本章小结
6. 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表与录用的论文

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本文编号：2894321