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直驱型风力发电机组用变流器控制策略的研究

作　者: 苗琰
导　师: 张卫星
学　校: 山东大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 直驱型风力发电系统 PWM变流器 永磁同步电机 PSCAD/EMTDC
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


目前,世界范围的能源危机和环境恶化,已经成为制约人类社会发展的重大问题,开发和利用可再生清洁能源已然成为人类的广泛共识。风力发电作为一种可大规模商业化发展的新型可再生清洁能源,以其自身的优势得到了世界各国的高度重视和前所未有的发展。直驱型风力发电机组由于具有能量转换效率高、并网功率控制灵活、安全可靠性高等诸多优点,成为继双馈型风电机组之后风力发电技术的重要研究方向之一。我国可开发利用的风力资源虽然极为丰富,具有广阔的发展前景,但在主流的兆瓦级直驱型风力发电技术方面还处于相对落后阶段,与当前的国际发展水平有较大差距。因此,研究直驱型风力发电机组用全功率并网变流器的控制策略具有重要的理论和现实意义,本文即围绕此展开研究。首先对国内外风力发电的发展现状进行分析阐述,介绍了全球风力发电技术的发展历程,在此基础上分析了国内外直驱型风力发电系统的发展情况。其次,围绕直驱型风力发电系统网侧变流器的建模与控制展开研究,在此数学模型的基础上,提出了网侧变流器的电压定向控制策略,并给出了网侧系统的参数设计方案。第三,围绕基于背靠背双PWM变流器拓扑结构的电机侧变流器控制技术展开研究,在分析永磁同步电机数学模型和风力机最大风能捕获原理的基础上,以零d轴电流控制为例分析永磁同步电机基于转子磁场定向的矢量控制策略。在综合分析了网侧和机侧变流器控制系统的基础上,建立了直驱型风力发电系统的控制模型,并对机侧系统进行参数设计第四,对永磁直驱型风力发电系统的低电压运行特性进行研究。分析其在电网故障条件下的控制策略,并对其LVRT特性和故障后运行在STATCOM模式下工作原理进行研究。第五,在PSCAD/EMTDC仿真环境中,搭建基于全功率背靠背PWM变流器拓扑的1.5MW直驱型风电机组仿真模型,模拟验证了以上分析的机侧和网侧变流器控制策略的稳态和动态性能,同时模拟结果还显示了背靠背全功率变流装置具有良好的隔离效果,网侧故障对机侧几乎没有影响。且电网电压跌落时,使网侧变流器工作在STATCOM模式下,可向电网提供所需的无功支持,帮助系统穿越这个低电压区域,表明直驱型风力发电系统具有较好的低电压运行能力。最后,对直驱型风力发电控制系统进行关键部分的硬件和软件设计,为以后在实验室平台上进行实验验证提供基础。

全文目录


摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
符号说明  13-14
第1章 绪论  14-23
  1.1 课题的研究背景和意义  14-19
    1.1.1 国内外能源和电力需求  14-15
    1.1.2 国内外风电发展概况  15-17
    1.1.3 风电技术发展历程  17-19
    1.1.4 论文的选题意义  19
  1.2 直驱型风力发电机组国内外发展情况  19-22
    1.2.1 全功率变流器拓扑结构  19-21
    1.2.2 网侧和机侧变流器研究现状  21
    1.2.3 国内外低电压穿越技术发展现状  21-22
  1.3 本文的主要研究内容  22-23
第2章 直驱型风力发电系统网侧变流器的建模及控制  23-49
  2.1 三相电压型PWM整流器的工作原理和数学模型  23-33
    2.1.1 PWM整流器的基本工作原理  23-25
    2.1.2 三相电压型PWM整流器的建模  25-33
  2.2 网侧系统的控制策略分析  33-41
    2.2.1 电压定向控制的基本原理  35-37
    2.2.2 脉宽调制控制技术  37-41
  2.3 网侧变流器系统参数设计  41-48
    2.3.1 主电路参数设计  42-44
    2.3.2 三相VSR双闭环控制系统参数设计  44-48
  2.4 本章小结  48-49
第3章 基于背靠背全功率变流器的机侧风电系统的建模及控制  49-61
  3.1 永磁同步电机的数学模型  49-53
    3.1.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型  50-52
    3.1.2 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型  52-53
  3.2 机侧系统的控制策略分析  53-59
    3.2.1 风力机的最大风能捕获原理  53-56
    3.2.2 永磁同步电机的控制策略  56-57
    3.2.3 直驱型风力发电系统的控制模型  57-59
  3.3 机侧变流器系统参数设计  59-60
  3.4 本章小结  60-61
第4章 永磁直驱型风力发电系统低电压运行特性研究  61-68
  4.1 国内外风力发电系统LVRT的相关规定  61-62
  4.2 背靠背直驱型风力发电系统的低电压运行特性  62-66
    4.2.1 直驱型风力发电系统在电网故障条件下的控制策略分析  62-65
    4.2.2 直驱型风力发电系统的LVRT特性及STATCOM运行模式分析  65-66
  4.3 本章小结  66-68
第5章 基于PSCAD/EMTDC的直驱型风力发电系统仿真研究  68-90
  5.1 基于背靠背全功率变流器直驱型风力发电系统的仿真模型  68-74
    5.1.1 网侧变流器系统的仿真模型  68-71
    5.1.2 机侧变流器系统的仿真模型  71-74
    5.1.3 电网故障仿真模型  74
  5.2 直驱型风力发电系统的仿真分析  74-89
    5.2.1 正常情况下直驱型风力发电系统的稳态和动态性能仿真分析  75-80
    5.2.2 电网故障时直驱型风力发电系统运行特性仿真分析  80-87
    5.2.3 电网故障条件下STATCOM运行模型仿真分析  87-89
  5.3 本章小结  89-90
第6章 直驱型风力发电控制系统的软硬件设计  90-98
  6.1 控制系统的硬件设计  90-95
    6.1.1 硬件设计方案的选择  90-92
    6.1.2 实验控制系统的硬件设计  92-95
  6.2 控制系统的软件设计  95-97
  6.3 本章小结  97-98
第7章 结论与展望  98-100
附录  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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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 发电机、大型发电机组（总论） > 风力发电机
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