摘 要

在快速发展的当代，风能是可替代、持续的清洁能源，且风能技术发展地越来越成熟。其中，风电并网又为重中之重。因此本文以全功率风力发电机为例，详细分析风电并网的技术。风电并网的主要难题是控制其并网的稳定性，因此本文主要就并网的策略进行模型的搭建，并对其稳定性进行分析。

风电并网的核心是机侧和网侧变流器的设计，因此对于变流器拓扑的种类进行了详细的介绍。另外机侧和网侧变流器的建立需要利用坐标变换进行矢量控制，搭建其数学模型，从而建立选择相应的控制策略和控制电路。

关于具体电路设计，主要利用了奈奎斯特判据、伯德图的相角裕度和幅值裕度判据确定了电压环、电流环和锁相环的基本参数和控制参数，从而设计出电压环、电流环、锁相环的电路模型。另外，在进行全功率风机的动态特性研究中，先是改变控制参数以观察风机系统的稳定性，并用设置小干扰的方式来检测其稳定性。最终在仿真过程结束后得到了锁相环、电流环和电压环的波形，对波形的结果进行分析后得到了结论。

关键词：风能、锁相环、并网变换器、动态特性

Abstract

In the fast-growing contemporary, wind energy is an alternative, continuous clean energy, and wind energy technology is becoming more and more mature. Besides, the wind power grid is the top priority. Therefore, this paper considers the full-power wind turbine as an example, with a detailed analysis of wind power grid technology. The main problem of wind power grid connection is to control the stability of its grid connection. Therefore, this paper mainly builds the model of the grid and analyzes its stability.

The core of the wind power grid is the design of the machine side converter and the grid side inverter, so the type of the converter topology is introduced in detail. In addition, the establishment of the machine side converter and the grid side inverter needs to use the coordinate transformation vector control to build its mathematical model, so as to establish the corresponding control strategy and control circuit.

With respect to the specific circuit design, the basic parameters and control parameters of the voltage loop, current loop and phase-locked loop are determined by using the Nyquist criterion, the Phase margin and the amplitude margin criterion. Therefore, the circuit model of voltage loop, current loop, phase - locked loop can be designed. In addition, in the dynamic characteristics of full-power wind turbine study, the first thing is to change the control parameters to observe the stability of the wind turbine system, and then set a small interference to detect the stability of the system. Finally, after the simulation process, the waveforms of the phase-locked loop, the current loop and the voltage loop are obtained, and the result of the waveform is analyzed and the conclusion is obtained.

Key Words: wind power、phase-locked loop、grid-connected inverter、dynamic characteristics

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1研究的目的和意义 1

1.1.2风力发电系统的概述 1

1.1.3全功率风机的研究热点 3

1.2国内外研究现状 3

1.3研究的基本内容及论文系统设计安排 5

1.3.1研究的基本内容 5

1.3.2论文系统设计安排 5

第2章 全功率风机的工作原理与设计 6

2.1全功率风机的原理概述 6

2.2绝缘栅双极型晶体管IGBT结构和工作原理 7

2.3主要全功率风机变流器介绍 8

2.4总方案设计 9

2.5风机的设计 9

2.6永磁同步全功率风电变流器 10

第3章 全功率风机的数学建模与控制方法 13

3.1三相PMSG的数学模型 13

3.1.1三相PMSG在静止坐标系下的数学模型 13

3.1.2三相PMSG在dq轴系中的模型 15

3.2机侧变流器的数学模型及控制方法 16

3.2.1机侧变流器的拓扑结构 16

3.2.2机侧变流器的数学模型 17

3.2.3 机侧变流器的控制方法 19

3.3 网侧变流器的数学模型及控制方法 22

3.3.1 网侧变流器的拓扑结构 22

3.3.2网侧PWM变流器的数学模型 23

3.3.3 网侧PWM变流器控制方法 25

第4章 全功率风机并网控制器的设计 29

4.1 风机并网控制器模型 29

4.1.1 锁相环 29

4.1.2 电流环模型 31

4.1.3 直流电压环模型 34

4.2 锁相环控制模型 37

4.3 双环控制仿真模型 37

第5章 全功率风机动态特性的分析 38

5.1 控制器参数对风机稳定性的影响 38

5.1.1 锁相环控制器参数对于风机稳定性的影响 38

5.1.2 电流环控制参数对风机稳定性的影响 39

5.1.3 直流电压环控制器参数对风机稳定性的影响 41

5.2 小干扰对于风机动态特性的影响 42

第6章 总结 44

6.1 主要结论 44

6.2 不足 44

参考文献 45

致谢 47

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1研究的目的和意义

在快速发展的世界中，寻求可替代、可持续、更好、更有效的能源的冲动一直是数十年来一个有趣的研究课题。不仅如此，世界气候变化也是对我们这个世界的严重威胁。工业化和经济发展的过程都需要能源。燃料是世界上主要的能源，是能源需求的中心。因此，由于可再生能源系统的可持续发展和成本的降低，可再生能源系统的利用正在获得专家意见，从而使其成为发电系统的理想选择。此外，我们对化石和核燃料的过度依赖正在造成环境污染和安全问题，这些问题正在成为我们社会的主要问题。许多可再生能源如太阳能，风能，生物质能，潮汐能等都是最常用的太阳能和风能系统。

另外，风能资源的发电利用具有以下优势，因而具有极大发展前景。