基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电系统

摘要

随着人类生存环境的日益恶化，以及全球常规化石能源的日益短缺，世界各国都在大力发展各种可再生能源。风能作为一种可持续发展的可再生清洁能源，因其分布范围广、蕴藏量丰富、开发潜力大、可大规模利用等优点，被世界各国大范围的开发利用。风力发电是风能的主要使用形式，其中永磁直驱风力发电系统由于具有无增速齿轮箱、运行效率高、维护量小、对电网冲击小以及优越的低压穿越性能等特点而成为风力发电系统发展的主流。
　　Buck-Boost矩阵变换器(Buck-Boost matrix converter，BBMC)：除了具有传统矩阵变换器输入功率因数可调、输入电流正弦、可四象限运行、能量可双向传递等特点外；还拥有电压传输比既可以大于1、也可以小于1，并且还可以实现输出频率和电压的任意调节，同时能够直接输出高质量的正弦波且无需要滤波环节，谐波含量小、省去了直流滤波大电容等优点。为了进一步降低谐波含量、提高输出波形质量、增大系统对外界干扰的鲁棒性，本论文对BBMC的自抗扰控制策略进行了研究，随后将BBMC作为直驱型风力发电系统中的功率变换器，对其进行研究分析。
　　本文首先阐述了Buck-Boost矩阵变换器的结构特点和工作原理，并对其所采用的滑模控制、离散滑模控制、双闭环控制等控制策略进行了概述与分析。针对 Buck-Boost矩阵变换器逆变级的结构特点，研究采用自抗扰控制策略进行控制，阐述了自抗扰控制策略的基本原理和具体设计方法，以电路中的电感电流和电容电压为状态变量，构建Buck-Boost矩阵变换器的自抗扰控制器。接下来分析了风力机和永磁同步发电机的工作原理及运行特性，建立了风力机、永磁同步发电机以及Buck-Boost矩阵变换器的数学模型，为了实现最大功率追踪，采用电流内环和功率外环的双闭环控制策略结合SVPWM空间矢量调制脉宽调制技术对Buck-Boost矩阵变换器进行控制。在Matlab/Simulink仿真平台上，搭建风力机、永磁同步发电机、Buck-Boost矩阵变换器的仿真模型，模拟实际运行情况，来验证自抗扰控制策略以及风力发电系统电流内环和功率外环的双闭环控制策略的可行性和有效性。
　　最后以TMS320F2812 DSP为系统控制器，以MOSFET为功率开关管，研制了小功率实验装置，同时开发了相关的应用软件，对Buck-Boost矩阵变换器及其控制策略进行实验验证，实验结果验证了仿真模型的正确性和控制策略的有效性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 风力发电现状与发展趋势

1.3 风力发电技术研究概况

1.4 功率变流器

1.5 自抗扰控制技术在电力电子领域中的应用

1.6 基于Buck—Boost矩阵变换器的直驱型风力发电系统

1.7 论文研究的主要内容

第2章 Buck-Boost矩阵变换器的基本工作原理简介

2.1 常规电压源型逆变器

2.2 Buck-Boost DC-AC逆变器的拓扑结构及其工作原理

2.3 Buck-Boost矩阵变换器的拓扑结构及其工作原理

2.4 Buck-Boost矩阵变换器整流级控制策略研究

2.5 本章小结

第3章 Buck-Boost矩阵变换器的自抗扰控制策略研究

3.1 Buck-Boost矩阵变换器逆变级控制策略研究

3.2 自抗扰控制技术

3.3 自抗扰控制器

3.4 Buck-Boost矩阵变换器的自抗扰控制策略

3.5 本章小结

第4章 Buck-Boost矩阵变换器在直驱型风力发电中的应用研究

4.1 基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱风力发电系统

4.2基于Buck-Boost矩阵变换器的直驱型风力发电系统建模

4.3 永磁直驱风力发电系统控制策略研究及仿真

4.4 本章小结

第5章 Buck-Boost矩阵变换器硬件实验研究

5.1 Buck-Boost矩阵变换器实验装置构成

5.2 Buck-Boost矩阵变换器实验装置的电路设计

5.3 控制系统软件设计

5.4 实验分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间所发表的学术论文与研究成果