三电平变流器直驱式永磁风力发电系统控制策略研究

摘要

为了调节能源结构，在保护环境的同时合理利用能源，我国将发展清洁的可再生能源作为了重要战略。在可再生能源中，风力发电以其自身的各项优点，占据着能源市场的重要地位。它也是最具有商业化和产业化发展的能源之一。近几年，直驱永磁风力发电系统发展非常迅速，并得到了研究人员的热烈追捧，这主要由于它具有可以直接驱动和系统高效且可靠等特点。　　在传统风力发电系统中，常采用两电平变流器，但由于其损耗高，纹波电流大，器件耐压能力差等问题，限制了风电的进一步发展。目前，随着电力电子技术的突飞猛进，三电平变流器技术获得了极快的发展。二极管箝位型（Neutral Point Clamped，简称 NPC）三电平变流器以其使用较低耐压功率器件、无需器件串联等优点深受研究人员的喜爱。学者们在对三电平变流器的控制上提出了很多方法。其中，电压空间矢量（Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM）调制算法是近年来被利用得比较成熟的控制算法之一。对此算法的研究，有利于提高发电效率和改善电网电能的质量。本文主要是基于全功率变流器对永磁直驱式二极管箝位三电平的 SVPWM算法进行分析，并提出了一种简单算法，对稳定中点电压平衡也有一定的帮助，然后通过仿真平台进行验证分析。　　本文首先讲述了课题的研究背景及意义，通过对往年风力发电数据的统计，总结了风力发电的发展趋势。在熟悉了风力机的理论知识和基本特性之后，以此为基础建立了风力机的仿真模型。本文拟采用爬山搜索法作为最大功率点跟踪的控制方法，通过比较三种常用爬山搜索法的基本原理和流程图，利用仿真平台对三种爬山搜索法进行了对比分析。随后，在了解了直驱永磁同步风力发电系统的结构及基本原理后，建立了风力发电系统和变流器的数学模型。发电机侧采用了零d轴电流控制策略，将d轴电流分量调为0，就可以实现定子电流对电磁转矩进行控制。网侧采用电网电压定向的控制策略，分别调节d、q轴电流分量就可以实现对有功功率和无功功率的控制。本文选择 SVPWM调制算法作为全功率变流器的调制算法，并对其进行了深入的工作原理分析与研究。在研究过程中发现了一种计算起来较为简单的方式，通过对比SPWM和SVPWM算法的相似处，提出一种改进 SVPWM算法。本文对导致中点电位不平衡因素进行了分析和研究，在研究SVPWM算法的同时，引入了一个可调节的中点平衡系数k，通过调节k值的取值范围，控制中点电压的波动。　　利用仿真软件MATLAB/Simulink搭建整个风力发电系统的仿真模型。对本文提出的改进 SVPWM调制算法和中点电位平衡控制方案进行仿真验证。仿真和实验结果验证了本文的研究思想和控制算法的正确性和可行性。

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1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 风电的国内外发展现状

1.3 风力发电技术发展与现状

1.4 三电平变流器发展与现状

1.5 本课题研究的主要内容

2 风力机系统研究

2.1 风力机原理及特性

2.2 风力机的最大功率跟踪

2.3 风力机的仿真研究

2.4 本章小结

3 直驱式永磁风力发电系统研究

3.1 三电平变流器的基本原理

3.2 参考坐标变换原理

3.3 机侧变流器的控制研究

3.4 网侧变流器的控制研究

3.5 本章小结

4 三电平SVPWM调制算法研究

4.1 三电平SVPWM技术

4.2 三电平变流器中点电位平衡研究

4.3 改进SVPWM算法

4.4 本章小结

5 直驱式永磁风力发电系统的仿真研究

5.1 控制策略仿真模块

5.2 SVPWM算法仿真研究

5.3 中点电压平衡的仿真研究

5.4 系统仿真研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果