摘 要

随着全世界各国的能源危机的愈发的严重，优质的风能发电逐渐受到人们的重视。直驱永磁同步发电机组具有结构简单、能量转换效率高、可靠性高等优点，被认为是最具发展潜力的风力发电方式之一。全功率变流器是将风力机组产生的能量馈入电网的重要途径，是以全功率变流器的可靠性和可控性是非常重要的。随着风力发电的迅速发展，风力发电系统容量不断增大，这对变流器的控制技术提出了更高的要求。本文仅选择永磁直驱发电系统的机侧变流器的控制策略进行分析研究，并通过仿真验证其有效性。本文的主要内容如下：

首先，本文对国内外风电产业的现状进行了简要描述，然后介绍了由不同的变流器拓扑结构组成的风电系统。

其次，本文建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型，包括风力机模型、永磁同步发电机模型、机侧整流器模型。其中永磁同步电机的模型为在坐标系、坐标系和坐标系三种情况下的模型。

接着，本文分析了最大功率点追踪策略，介绍了电压空间矢量控制策略。在此基础上设计了基于转子磁链定向的双闭环矢量控制系统，并考虑到变风速的情况，采用最佳叶尖速比控制实现最大功率追踪。

最后，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建各部分仿真模型并搭建机侧整体仿真系统并在恒风速、变风速的条件下进行仿真分析，结果证明了控制策略的有效性和可行性。并且设计了机侧变流器的控制器。

关键词：风力发电；永磁直驱同步发电机；PWM整流器；最大风能捕获

Abstract

With the energy crisis worldwide growing all over the world, high-quality wind power has attracted more attention. Direct drive permanent magnet synchronous generator has a simple structure, high energy conversion efficiency and high reliability, is considered one of the most promising way to generate electricity.Full power converter is the only way to produce wind turbine energy fed into the grid, so the full power converter and control reliability is very important. With the rapid development of wind power, wind power system capacity is increasing quickly,which inverter control technology put forward higher requirements.This article only select direct drive permanent magnet power generation system-side converter control strategy analysis and simulation verify its effectiveness. The main contents are as follows:

Firstly, this paper briefly describes the current situation of domestic and foreign wind power industry, and then introduces the wind power system composed of different converter topologies.

Secondly, the paper establish a permanent magnet direct drive wind power system mathematical model, including wind turbine model, permanent magnet synchronous generator model, full-power rectifier model.The permanent magnet synchronous motor model is in the coordinate system, the coordinate system and the coordinate system under three conditions.

Then, the paper analyzes the maximum power point tracking strategy, introduces voltage space vector control strategy. Based on them designs a double closed-loop d-axis flux oriented vector control system that based on the d-axis flux oriented, and taking into account the change of wind speed, the use of optimal tip speed ratio control to achieve maximum power tracking.

Finally, in the MATLAB/SIMULINK environment, the simulation model is built and the simulation analysis is carried out under the condition of constant wind speed and variable wind speed. The results show that the control strategy is effective and feasible.And the controller of the machine side converter is designed.

Keywords: wind power; direct drive permanent magnet synchronous generators; PWM Rectifier; maximum wind energy capture

目 录

第1章 绪论 1

1.1 风力发电的国内外现状 1

1.2 风力发电技术概括 2

1.3 直驱型全功率变流器控制策略综述 3

1.3.1 不控整流 升压斩波 PWM逆变器型 3

1.3.2 PWM整流器 PWM逆变器型 4

1.4 研究的意义 5

1.5 本文的主要研究内容 5

第2章 直驱风力发电系统的数学模型建立 6

2.1 风力机模型 6

2.2 永磁同步发电机模型 7

2.2.1 在三相静止坐标系中的模型 8

2.2.2 在两相静止坐标系中的模型 8

2.2.3 在两相旋转坐标系中的模型 9

2.3 全功率整流器模型 10

2.4 本章小结 11

第3章 风电系统机侧变流器控制策略研究 12

3.1 最大功率点追踪策略 12

3.2 空间矢量脉宽调制技术 13

3.3 机侧变流器矢量控制策略研究设计 16

3.4 机侧控制策略 16

3.5 仿真结果分析 20

3.6 控制器的设计 23

3.61 DSP控制芯片 23

3.62 TMS320F2812DSP芯片硬件电路 24

第4章 总结和展望 27

4.1 总结 27

4.2 不足和展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 风力发电的国内外现状

当今世界经济飞速发展，对能源的需求也随之水涨船高。然而传统的化石燃料的储量不断减少，价格逐渐上升，并且其对环境也有不利影响。所以世界各国开始投入大量人力物力，以求在清洁能源方面有所突破发现。风能从众多选择中脱颖而出，成为新能源发展的主要方向。风能储量丰富、分布广泛、干净清洁，受到了各国的高度重视。

其实我们人类很早很早以前就已经成功地利用风能了，譬如驾驶帆船运输、用风车抽水灌溉。在我国，垂直轴风车更是沿用至今。但风能并未得到人们的重视，技术发展十分缓慢。上世纪的世界石油危机及环境的持续恶化，使得风力发电技术的研发逐渐火热。