基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真1.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.81M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景及研究意义

1.1.1课题研究背景

1.1.2课题意义

1.2国内外风力发电现状

1.2.1国内风力发电现状

1.2.2国外风力发电现状

1.3风力发电技术研究现状

1.3.1发电机的变速恒频发电技术

1.3.2目前国内外常用的风电机组的主要类型

1.3.3风电技术的发展趋势

1.4本文主要研究工作

第2章直驱式风电系统运行原理和数学建模

2.1直驱式风电系统的基本结构、运行原理和优势

2.2直驱式风力发电系统几种常用拓扑结构简介

2.2.1不控整流后接逆变器拓扑分析

2.2.2不控整流后接DC／DC变换再接逆变器拓扑分析

2.2.3背靠背双PWM变流器拓扑分析

2.2.4大功率变流器拓扑分析

2.3直驱式风电系统主要组成部分数学模型

2.3.1风速数学模型

2.3.2风力机数学模型

2.3.3轴系数学模型

2.3.4直驱式变速恒频永磁同步发电机的数学模型

2.3.5直流环节

2.3.6全功率变流器数学模型

2.4本章小结

第3章永磁直驱风电系统的控制策略分析

3.1风力机最大风能捕获原理

3.2 SVPWM空间矢量控制技术基本原理

3.3永磁直驱风力发电系统变流器控制策略

3.3.1变流器控制整体方案的提出

3.3.2网侧电流环和电压环设计

3.3.3交流侧电感选择

3.3.4直流侧电容选择

3.3.5转子位置角的估计

3.4本章小结

第4章永磁直驱风电系统建模与仿真分析

4.1风力发电系统建模和仿真概述

4.1.1进行建模仿真研究的必要性

4.1.2风电机组建模仿真方法及存在问题

4.1.3主要仿真软件简介

4.1.4风力发电系统建模与仿真研究现状

4.2直驱式风电系统的仿真实现

4.2.1风力机的仿真模型

4.2.2永磁同步发电机的仿真模型

4.2.3 SVPWM脉冲输出仿真模型

4.2.4永磁直驱风电系统整体仿真模型

4.3仿真结果分析

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

兰州理工大学硕士学位论文基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真姓名：马威申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：包广清20100601

硕士学位论文摘要风能作为一种清洁的可再生能源，不仅可以缓解能源危机，而且有利于环保，可带来直接的经济效益和社会效益，因此近年来受到各界广泛关注，风电产业也发展迅猛。目前获得广泛应用的并网型风力发电系统多采用异步发电机，但是效率不高。并且由于必须采用升速齿轮箱，系统的可靠性不高。而采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统，因其具有效率高、制造方便、控制效果好等优点，逐渐成为人们研究的焦点。本文主要针对永磁直驱风电系统系统进行建模和仿真研究。风力发电系统包括两个能量转换过程，即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。本文通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理，建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型。具体包括风速数学模型、风力机数学模型、永磁同步发电机数学模型和电能转换模块数学模型，并在Matlab／Simulink环境下搭建了整个仿真系统的模型。文章提出了基于发电机转子磁场定向的机侧变流器矢量控制方法，实现了最大风能捕获，提高了发电机的效率。同时本文对永磁直驱风力发电控制系统的无位置传感器算法进行了深入研究，解决了由于安装位置传感器所带来的转动惯量增加，系统易受外界干扰，可靠性降低等问题。对于网侧逆变器的控制，采取了直流电压环和无功电流内环的双闭环控制策略，实现了将直流电逆变为与电网同频率、同幅值的交流电，维持直流侧电压恒定，并能根据电网需求实现与电网间的无功交换的控制目标。建模与仿真是研究分析机电系统性能的有效方法和重要手段。Matlab／Simulink仿真工具虽然提供了丰富的模块库，但电机均为传统电机，如异步感应电机，绕线式同步电机，以及无刷双馈电机等，不能直接用于永磁直驱风电系统的仿真研究。本文基于Simulink仿真技术，构建了永磁同步发电机通用模块，并进行封装，从而为该种发电机系统的仿真研究提供了方便、可靠的工具。通过以上研究，为建立具有我国自主知识产权的新型永磁直驱风电机组奠定了理论和试验基础。关键词：永磁同步发电机；直驱式风电系统；数学模型；建模仿真

基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真AbstractAsacleanandrenewableenergy，notonlycaneasetheenergycrisis，butalsoconducivetoenvironmentalprotection，itcanbringdirecteconomicbenefitsandsocialbenefits．Therefore，inrecentyears，itbecomeextensiveattentionandvarious．Windpowerindustryhasdevelopedrapidly．Currentlyavailableandwidelyusedmulti-gridwindpowergenerationsystemsusinginductiongenerators，Butefficiencyisnothigh．．Andbecauseitusedthespeedgearbox，SOthesystemreliabilityisnothigh．Theuseofdirectdrivepermanentmagnetsynchronousgeneratorwindpowersystem，becauseofitshighefficiency，andtheconvenience，control，andgoodresults．Inthispaper，mainlystudythemodelingandsimulationofthepermanentmagnetdirectdrivewindpowersystem．Thepowersystemconsistoftwoenergyconversionprocess，namelywindturbineconvertwindpowertomechanicalenergyandgeneratorconvertmechanicalenergytoelectricalenergy．ThispaperstudiesthecharacteristicsandoperationmechanismofwindturbineandPMSGtoestablishapermanentmagnetdirectdrivewindpowergenerationsystemmodel，includingwindspeedmodel，windturbinemodel，permanetmagnetsynchronousgeneratormodelandmathematiealmodelpowerconvertermodel．AndcarriesoutamodelofthesimulationsysteminMatlab／Simulink．Thispaperbasedonrotorfluxorientedpresentsmachineside—convertervectorcontrolmethodtoachivemaximumpowertransferandimprovetheefficiencyofthegenerator．Thispaperstudiedsensorlessalgorithmofpermanentmagnetdirectdrivewindpowercontrolsystem，tosolvetheincreaseofinertiaduetotheinstallationofpositionsensor，thesystemvulnerabletooutsideinterferencedecreasingreliabilityissues．ForthenetworksideinvertercontroltotakeDCvoltageloopandinnerloopreactivecurrentdoubleclosed-loopcontrolstrategy，andcanachievetheobjectivestoDCpowerinverterwiththesamefrequency，withtheamplitudeoftheAC，maintainaconstantDCvoltage，andaccordingtopowerrequirementscanachievewiththereactivepowerexchange．ModelingandSimulationisanimportantandeffectivewayfortheresearchandanalysisofmechanicalandelectricalperformanceofthesystem．Matlab／Simulinksimulationtool，whileprovidingabundantmodules，butthemotoraretraditionalmotor，suchasasynchronousinductionmotor，woundsynchronousmachineandDoublyFedMachines，andSOon．Itcannotbedirectlyusedforpermanentmagnetdirectdrivewindpowersystemsimulation．ThisthesisbasedonSimulinkestablishesPermanentmagnetsynchronousgeneratorandencapsulation，thusproidesa¨

硕士学位论文convenient，reliabletoolfortheemulationresearchofthiskindofgeneratorsystems．ThestudiesfortheestablishmentofNewPermanentMagnetDirect—driveWindTurbinewithfullcopyrightslaidtheoreticalandpracticalfoundation．Keyword：permanentmagnetsynchronousgenerators；direct-drivewindpowersystem；mathematicalmodel；modelingandsimulation111

基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真插图索引图1．1普通三相同步发电系统结构图…………………………………………．．6图1．2双馈风力发电系统统结构图……………………………………………7图1．3直驱式风力发电系统结构图…………………………………………………………7图2．1直驱式风电系统原理图…………………………………………………………．10图2．2晶闸管构成的逆变器………………………………………………………．．12图2．3全控型器件构成的逆变器……………………………………………一12图2．4不控整流后接电压源型逆变器拓扑……………………………………12图2．5不控整流后接变换接逆变器拓扑……………………………………13图2．6背靠背双PWM变流器拓扑………………………………………………13图2．7直接串联IGBT逆变器……………………………………………………．14图2．8风力机功率特性曲线………………………………………………………………16图2．9永磁同步电机定、转子空间分布图……………………………………………．．18图2．10永磁同步电机等效电路图………………………………………………………．19图2．11直流环节结构示意图……………………………………………………．19图2．12PWM整流器的主电路拓扑结构……………………………………………20图2．13电压型PWM逆变器的拓扑结构图……………………………………………．22图3．1固定桨距角下风能利用系数曲线………………………………………………26图3．2风力机输出机械功率和机械角速度之间的关系曲线……………………．．26图3．3三相电压型逆变器…………………………………………………………．28图3．4两电平电压矢量图…………………………………………………………………．29图3．5参考电压矢量扇区位置的判断条件……………………………………………．．29图3．6永磁直驱风电系统控制策略结构图……………………………………3l图3．7电流环控制框图………………………………………………………．33图3．8电流环结构框图………………………………………………………………………．．33图3．9电压环结构框图………………………………………………………………………．．34图3．10带饱和限幅反馈的积分器结构图……………………………………………37图4．1风力机仿真模型………………………………………………………………………．44图4．2风力机内部框图………………………………………………………44图4．3风能利用系数仿真图…………………．．．……………………………．．45图4．4永磁同步发电机仿真模型……………………………………………．45图4．5SVPWM脉冲输出仿真模型……………………………………………………．．46图4．6永磁同步发电系统仿真模型……………………………………………………．．46IV

硕士学位论文图4．7电机侧变流器仿真控制子模块…………………………………………．47图4．8网侧变流器仿真控制子模块……………………………………………47图4．9磁链观测仿真模型………………………………………………………………一47图4．10磁链与转子位置角转换仿真模型……………………………………．48图4．11风速变化曲线……………………………………………………………48图4．12风力机输出功率………………………………………………………………………．49图4．13电机侧三相输出电流…………………………………………………49图4．14机侧定子三相电流细节………………………………………………………．49图4．15机侧d轴电流和q轴电流……………………………………………49图4．16发电机电磁转矩……………………………………………………………50图4．17直流侧电压……………………………………………………………………………50图4．18网侧有功和无功分量……………………………………………………．．50图4．19网侧输出电流波形…………………………………………………………50图4．20网侧单相电流与电压细节…………………………………………………………．51V

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：马成|El期：zD7D年‘月曾El学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：弓武导师签名：乡”13期：加，矿年∥月孑日日期：砂户年∥月旷咱

硕士学位论文第1章绪论1．1课题研究背景及研究意义1．1．1课题研究背景由于世界性能源危机的日趋严重和环境保护意识的不断加强，开发新能源迫在眉睫。风力发电作为一种安伞可靠取之不尽的洁净新能源，在众多开发的可再生能源中颇具潜力，受到了广泛关注。由于风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面具有不可替代的重要作用，并能带来较好的经济效益和社会效益，因此，世界上很多国家对风电的开发给予了高度重视。近十年来，现代风力发电技术日益完善，成本也日趋下降，市场不断扩大，在一些地区己成为对常规能源具有一定竞争力的新能源发电方式。特别是在边远的没有电网的地方，正在发挥着其独特的作用。我国的风能资源丰富，可利用的潜能很大，大力发展风电与水电是我国长期的能源政策。随着电力电子技术、自动控制技术和微电子技术的飞速发展，风力发电技术的发展也极为迅速，其单机容量从最初的数十千瓦发展到最近进入市场的兆瓦级机组，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变桨距和变速控制发展n。23。中、大型变速恒频风电机组正逐步的占领着风电机组市场。开发和研制兆瓦级变速恒频风电机组是我国发展风电技术的当务之急。1．1．2课题意义风能利用和风力发电技术的发展要求我们加深对风力发电机组特性的研究，而建模仿真是对风电机组进行研究的有效手段，这样选用恰当的建模方法来对系统进行研究也就成为关注的焦点。目前风电发展势头迅猛，然而我国风电产业的发展还仅仅处于起步阶段，还存在着大型风力发电设备生产技术缺乏、研发基础薄弱、风电人才短缺、风电场的运行管理水平低下等方面的问题。对风电系统进行建模与仿真分析，直接关系到所开发系统的精确性，可以在较短的时间内培训出合格的运行操作人员，并可有效提高运行管理水平，提高风电场运行的安全性和经济性。在进行机组整机或部件设计时，必须深刻理解各组成部件在可能的工作条件下的力学、电学等物理特性要求。而系统建模与仿真是目前通行的重要手段。从对风电机组进行优化运行的角度上讲，需要对风电机组进行状态检测和评估，从而优化风电场的运行和维修，可以带来巨大的经济效益。而建立系统的模型并对其进行仿真研究是研发状态监测系统和优化风电场运行必须完成的工作∞1。随着风电技术的快速发展和机组单机容量的不断增加，对风电机组控制系统的要求愈来愈高，机组控制系统

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