永磁直驱风电系统中变流器控制策略研究

【摘要】：由于受到全球能源危机的影响,风电技术作为一种新型清洁能源得到快速的发展。其中永磁直驱风力发电系统因具有可靠性好、风能利用率高和控制方便灵活等优点,成为风力发电技术领域研究的重点方向。 虽然我国风电装机总量已达到世界领先水平,但是在变流机组和核心控制技术方面还比较落后,很大程度上限制我国风电技术的进一步发展。本文围绕直驱型永磁同步全功率变流器的结构和控制技术展开研究,主要内容概括如下： 1、针对直驱风电系统采用的永磁同步发电机的结构,建立其在三相静止坐标和两相旋转坐标中的数学模型,介绍直驱风电系统变流器的不同拓扑结构,并且分析针对变流器的调制方法,重点介绍正弦波调制方法(SPWM)和空间矢量调制方法(SVPWM),给出相关的仿真结果。这些理论的研究为后续的控制策略分析和无电流传感器控制方法的实现提供理论基础。 2、本文采用的背靠背式双PWM变流器,首先研究电网侧变流器的数学模型和控制策略。建立三相电压源型PWM整流器的数学模型和等效电路,分析电压定向控制策略,给出网侧系统控制结构。实现直流侧电压稳定、有功无功解耦控制并且系统运行在单位功率因数下的目标。其次针对控制系统中用到的三相锁相环研究电网不平衡时锁相环的设计并给出仿真分析,最后设计系统的主电路参数和控制环节的参数,并给出不同情况的网侧仿真分析验证系统的动态性能和稳态性能。 3、研究基于SVPWM调制方法的无交流电流传感器的相电流重构问题。根据三相电压源型PWM整流器模型,结合空间电压矢量法,利用直流母线电流和三相开关状态可以对交流侧三相电流进行重构,使重构后的相电流和由传感器采样得到的相电流一致,实现无交流电流传感器的控制,本文详细研究这一方法并且给出仿真验证。 4、结合前面分析的永磁同步电机模型,研究电机侧变流器的控制策略。机侧采用转子矢量定向控制结构,实现转矩和磁场的分别控制,给出机侧控制结构并对机侧系统进行参数设计,最后在PSIM环境中对控制方法进行仿真验证。 5、对直驱式风电系统进行关键部分的硬件和软件设计,其中硬件部分介绍模拟运放代替主电路的方法,进行仿真验证并且在Altium Designer Summer08软件中设计硬件结构,为以后在实验室平台上进行试验提供基础。 【关键词】：直驱型风力发电系统 PWM变流器 永磁同步电机 电流重构
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符号说明12-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 课题研究的背景和意义13-18
• 1.1.1 全世界能源情况和风能利用情况13-16
• 1.1.2 风电技术的发展16-18
• 1.2 风力机特性及最佳功率18-20
• 1.3 本文的主要研究工作20-22
• 第2章 永磁直驱风力发电系统建模以及变流器拓扑22-40
• 2.1 永磁同步电机(PMSM)22-26
• 2.1.1 PMSM在三相静止坐标系中的模型23-24
• 2.1.2 三相永磁同步发电机(PMSM)在dq坐标系中的模型24-26
• 2.2 变流器拓扑分析26-30
• 2.2.1 不控整流后接全控逆变器型26-28
• 2.2.2 不控整流经DC/DC变换后接电压源逆变器型28
• 2.2.3 背靠背双PWM型变流器28-29
• 2.2.4 IGBT直接串联的大功率变流器型和多电平大功率变流器型29-30
• 2.3 PWM调制方法研究30-39
• 2.3.1 三角波比较法30-33
• 2.3.2 滞环比较法33
• 2.3.3 空间电压矢量法33-38
• 2.3.4 仿真结果38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 网侧变流器控制研究40-66
• 3.1 网侧变流器研究现状40-43
• 3.1.1 间接电流控制41-42
• 3.1.2 直接电流控制42-43
• 3.2 电网侧变流器的建模43-48
• 3.2.1 电网侧变流器基本工作原理44-45
• 3.2.2 网侧电压源型PWM变流器的数学模型45-48
• 3.3 网侧变流器的控制策略48-61
• 3.3.1 控制结构48-50
• 3.3.2 锁相环设计50-56
• 3.3.3 系统参数设计56-61
• 3.4 仿真算例61-64
• 3.5 本章小结64-66
• 第4章 相电流重构和机侧控制系统66-84
• 4.1 无交流传感器的研究66-76
• 4.1.1 电流采样研究现状66-67
• 4.1.2 SVPWM控制的PWM整流器交流电流和直流电流的关系67-72
• 4.1.3 最小调制时间72-74
• 4.1.4 仿真结果74-76
• 4.2 机侧控制系统76-83
• 4.2.1 机侧控制策略76-79
• 4.2.2 仿真结果79-83
• 4.2.3 双侧系统83
• 4.3 本章小结83-84
• 第5章 永磁直驱风力发电系统软硬件电路设计84-99
• 5.1 主电路的硬件设计84-88
• 5.1.1 主电路的重要性84-85
• 5.1.2 运放电路的模拟过程85-87
• 5.1.3 主电路的硬件结构87-88
• 5.2 控制电路的硬件设计88-94
• 5.2.1 TMS320F2812DSP简介89-91
• 5.2.2 TMS320F2812硬件电路91-94
• 5.3 系统软件设计94-98
• 5.3.1 主程序设计94-95
• 5.3.2 中断程序设计95
• 5.3.3 SVPWM软件设计95-98
• 5.4 小结98-99
• 第6章 结论与展望99-101
• 6.1 总结99-100
• 6.2 展望100-101
• 参考文献101-106
• 致谢106-107
• 学位论文评阅及答辩情况表107

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