基于大电感永磁发电机的小型风力发电系统研究

摘要

近年来，由于化石燃料带来的雾霾等环境问题逐渐引起了社会的关注，人们对于新能源的需求不断增加。在我国，风能是一种广泛存在的清洁能源，风力发电具有很大的市场和效益，因此小型风力发电系统成为研究的热点方向之一。相比于电感较小的传统永磁风力发电机，大电感永磁风力发电机具有工作风速范围宽、输出电流基本恒定、便于维护等优点，更适合风速变化范围较大的小型风力发电场所。本文从大电感永磁发电机的特性入手，对适合该电机的小型风力发电系统进行了研究。
　　本文论述了国内外小型风力发电系统的发展状况以及发展前景，分析了永磁风力发电机的分类，并对大电感电机的特性进行了研究。其次对各种风力发电系统的拓扑结构进行了分类和探讨，在此基础上确定了本文采用不可控整流加三相电流型逆变器的拓扑结构，该拓扑具有结构简单、控制容易、成本低廉等优点。逆变器是小型风力发电系统的关键，因此文章详细研究了三相电流型逆变器的工作原理，并且在MATLAB仿真环境中搭建了小型风力发电系统的仿真模型，仿真结果能够输出可并网的电流波形，验证了该拓扑结构和系统模型的正确性。接着引入直接电流控制策略，减小了输出波形的畸变率;介绍了一种最大功率跟踪控制的方法。最后本文在仿真的基础上设计并搭建了系统的硬件实验平台，包括整流电路、逆变电路、滤波电路和电流检测电路等。另选取TMS320F28335 DSP作为控制芯片，在CCS v3.3环境下编写了控制程序，初步实验结果证明了本文研究的小型风力发电系统的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 推广小型风力发电系统的意义

1．1．3 采用大电感电机及电流型逆变器的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 风力发电系统的研究现状

1．2．2 大电感永磁发电机的研究现状

1．2．3 电流型逆变器的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 大电感永磁风力发电机及其系统拓扑研究

2．1 永磁风力发电机介绍

2．2 大电感永磁风力发电机

2．2．1 大电感永磁风力发电机模型

2．2．2 大电感永磁风力发电机特性

2．3 小型风力发电系统变流器拓扑研究

2．3．1 不可控整流+电压源型逆变器拓扑结构

2．3．2 不可控整流+斩波电路+电压源型逆变器拓扑结构

2．3．3 背靠背式双PWM变流器型拓扑结构

2．3．4 不可控整流+电流源型逆变器拓扑结构

2．3．5 不可控整流+Z源逆变器拓扑结构

2．4 小型风力发电系统逆变器的选择

2．5 本章小结

第3章 小型风力发电系统建模与MATLAB仿真研究

3．1 小型风力发电系统结构设计

3．2 三相电流型PWM逆变器的建模

3．2．1 三相电流型逆变器时域模型

3．2．2 三相电流型逆变器频域模型

3．3 三相电流型逆变器的PWM调制技术

3．4 风力发电系统的仿真研究

3．4．1 大电感风力发电机的建模仿真

3．4．2 电流型逆变器的MATLAB仿真

3．4．3 小型风力发电系统的开环仿真

3．4．4 引入直接电流控制后的仿真结果

3．5 小型风力发电系统的最大功率跟踪技术

3．5．1 最大功率跟踪原理

3．5．2 最大功率跟踪技术与仿真

3．6 本章小结

第4章 小型风力发电系统硬件电路设计

4．1 系统硬件电路总体结构

4．2 系统控制器的选取

4．3 系统主电路的设计

4．3．1 大电感发电机和不可控整流电路

4．3．2 三相逆变桥电路

4．3．3 滤波电路

4．4 系统驱动隔离和检测电路

4．4．1 驱动电路

4．4．2 光耦隔离电路

4．4．3 电网电压频率和相位检测电路

4．4．4 电流检测及调理电路

4．5 辅助电源电路

4．6 本章小结

第5章 系统软件设计及硬件实验结果

5．1 控制主程序设计

5．2 ePWM模块设计

5．3 实验结果和分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢

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