基于Buck--Boost矩阵变换器的直驱型风力发电系统控制策略研究

摘要

随着各国对能源需求的日益提高，开发新型可再生能源已迫在眉捷。在可再生能源中，风能具有蕴藏量大、可再生、无污染等特点，同时，风力发电是一种成本较低且具有商业化前景的发电方式，因而受到了世界各国的广泛重视。在风力发电系统中直驱型风力发电因具有结构简单、发电效率高、维护成本低等特点而成为风力发电系统发展的主流，而作为其中连接风力发电机与电网的并网变换器更是研究的重点。目前在风力发电系统中普遍采用双PWM变流器作为并网变换器，该变换器具有可四象限运行，变换效率高，谐波含量小，功率因数可调等特点，但也具有体积大，成本高等不足。本文研究采用一种新型的Buck-Boost矩阵变换器(BBMC)作为并网变换器，并就相应的控制策略进行研究。
　　首先介绍了风力发电的发展概况，阐述了风力发电并网变换器的研究现状，分析了BBMC所具有的特点，提出采用BBMC作为直驱型风力发电系统的并网变换器。
　　其次介绍了风力机的基本特性，阐述了最大风能捕获的基本原理。根据坐标变换理论建立了永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，对发电机采用零d轴电流矢量控制策略，设计了模糊PI电流调节器，并对其效果进行了仿真验证。
　　然后分析BBMC的网侧数学模型，根据并网控制的基本要求，以电网电压作为给定信号，采用基于网侧变换器电容电压和电感电流为控制变量的双闭环控制策略，设计了模糊PI电压调节器，并对控制效果进行仿真验证。
　　最后以DSP作为控制器，以MOSFET为主电路功率开关研制了基于BBMC网侧变换器的实验系统，同时开发相应的控制软件，并对该实验系统进行了测试，相关指标满足设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 风力发电发展概况

1．2．1 国外风力发电发展概况

1．2．2 国内风力发电发展概况

1．3 风力发电系统的研究现状

1．3．1 恒速恒频风力发电系统

1．3．2 变速恒频风力发电系统

1．4 直驱型风力发电系统并网变换器的研究现状

1．5 课题研究内容

第二章 风力机特性及永磁同步电机的数学模型

2．1 风力机运行特性

2．1．1 风速的模拟

2．1．2 风能的计算

2．1．3 贝兹定理

2．1．4 风力机的特性系数

2．1．5 风力机的数学模型

2．1．6 风力机特性仿真分析

2．2 永磁同步电机的数学建模

2．2．1 三相静止坐标系下永磁同步发电机的电压回路方程

2．2．2 坐标系变换

2．2．3 同步旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型

2．4 本章小结

第三章 BBMC电机侧控制策略研究

3．1 BBMC拓扑结构及其工作原理

3．2 机侧变换器的矢量控制策略研究

3．3 PI调节器的参数计算

3．3．1 电流内环

3．3．2 转速外环

3．4 电流内环模糊PI调节器设计

3．4．1 模糊控制基本原理

3．4．2 模糊PI控制器的结构

3．4．3 量化因子及比例因子的确定

3．4．4 模糊子集和隶属函数

3．4．5 模糊控制规则

3．4．6 模糊推理机制及解模糊策略

3．4．7 模糊PI控制器的仿真模型

3．5 SVPWM调制技术原理

3．6 BBMC机侧控制策略仿真分析

3．7 本章小结

第四章 BBMC网侧控制策略研究

4．1 BBMC网侧变换器数学模型

4．2 BBMC网侧变换器控制策略

4．2．1 网侧变换器的双闭环控制策略

4．2．2 模糊PI调节器的设计

4．3 BBMC网侧控制策略仿真分析

4．4 本章小结

第五章 基于BBMC的直驱式风力发电系统实验研究

5．1 BBMC网侧变换器实验系统基本构成

5．2 BBMC逆变级硬件实验电路设计

5．2．1 TMS320F2812 DSP控制器简介

5．2．2 BBMC网侧变换器主电路以及驱动电路

5．2．3 脉冲信号互锁电路

5．2．4 电压电流信号采样电路

5．3 软件设计

5．3．1 主程序

5．3．2 中断服务子程序

5．4 实验分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间发表的学术论文和参加的科研项目