永磁直驱风力发电机机侧变流器的控制策略研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.6MB 58 页 15积分

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摘要

随着全球环境污染的日益加剧以及对能源需求的日益增加，风能和太阳能等

清洁、可再生能源脱颖而出，其开发和利用也越来越受到全世界人民的关注。尤

其是风能发电，技术已十分成熟，风力资源分布广泛，因而发展势头迅猛。我国

的风能资源十分丰富，研究和开发风能将会有效缓解我国电力供应紧张的局面，

减轻其他高消耗能源所带来的环境污染问题。本文重点研究了直驱永磁同步风力

发电系统的变流器拓扑及其控制策略。

首先研究了风力机的原理，能量转换过程以及其基本运行特性，并由此对最

大风能追踪捕获控制策略进行了研究。

其次对永磁同步风力发电机侧变流器的控制系统进行研究，建立永磁同步电

机数学模型并采用了基于转子磁场定向的 id=0 矢量控制方法，确立了外环为功

率环、内环为电流环的电机侧变流器矢量控制模型。其控制策略将直接影响到风

力机的最大风能追踪以及发电机发出的有功功率。

另外本文分析了三电平变换器的拓扑结构，提出了三电平变换器等效模型，

对变换器的四种特殊的工作状态及其工作原理进行了详细的介绍。对 SPWM 与

SVPWM 工作方式及其区别与联系作了分析，比较了几种中点电压控制方式，利

用Matlab／Simulink 搭建系统控制模型并给出了波形。本文所作的研究为直驱永

磁同步电机的控制系统的工程应用提供了一定的参考依据，为未来的研究奠定了

一定的基础。

关键词：永磁同步发电机机侧变流器三电平变流器 SVPWM

最大风能追踪

ABSTRACT

With the increasing global environmental pollution and the demand for energy

increasing, wind and other clean, renewable energy come to solar, the development

and use of more and more the concern of people around the world. Especially wind

power, has a very mature technology, wind resources are widely distributed, and thus

the momentum of rapid development. China's wind energy resources are very rich in

research and development of wind energy will effectively alleviate the tense situation

of China's electricity supply, reduce the environmental pollution problems of other

high-energy consumption. This paper focuses on the direct drive permanent magnet

synchronous wind power generation system of the converter topology and control

strategy.

First, the principle of wind turbine, the energy conversion process and the basic

operating characteristics, and thus the maximum wind power tracking to capture

control strategies were studied.

Followed by the permanent magnet synchronous wind generator-side converter

control system, the establishment of the mathematical model of permanent magnet

synchronous motors based on rotor flux orientation id = 0 vector control, to establish

the outer ring for the power ring, inner ring model for the current loop of the

motor-side converter vector control. The control strategy will directly affect the active

power of maximum wind power tracking of the wind turbine and generators issued.

Addition, this article analyzes the three-level and network topology of the

converter, the converter equivalent model of the three-level grid, carried out a detailed

introduction to the converter of four special status and its working principle. SPWM

and SVPWM work their differences and relations between analyzed, focusing on

comparison of several midpoint voltage control mode, using Matlab / Simulink to

build the system control model and gives the waveform. TMS320F2812 for the

control of the core of the system, the design of the software process to achieve the

above algorithm.

Made in this article provide certain reference for direct-drive permanent magnet

synchronous motor control system engineering applications, and laid a foundation for

future research.

Key words: Permanent magnet synchronous generator,Grid-side

converter ,Maximum Wind power point tracking

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................1

§1.1 引言 ........................................................................................................ 1

§1.1.1 风力发电的意义 ....................................................................... 1

§1.1.2 全球风力发电的现状和发展趋势 ........................................... 1

§1.2 直驱永磁风力发电系统的研究现状 .................................................. 2

§1.3 本文的主要内容 .................................................................................. 4

第二章最大风能跟踪控制和电机侧变换器的控制策略 ..................................... 6

§2.1 最大风能跟踪控制策略 ...................................................................... 6

§2.1.1 风力机的特性 ......................................................................... 6

§2.1.2 最大风能跟踪控制策略分析 ................................................. 9

§2.2 永磁同步电机的数学模型 ................................................................ 10

§2.2.1 永磁同步电机在三相静止轴系下的数学模型 ................... 11

§2.2.2 三相静止轴系到两相静止轴系的变换（3s/2s 变换） ...... 13

§2.3 永磁同步电机的控制策略 .................................................................. 16

§2.3.1 转子磁场定向矢量控制 ......................................................... 16

§2.3.2 id=0 控制策略 ...........................................................................18

§2.3.3 永磁同步发电机机侧控制系统 ............................................. 20

§2.4 本章小结 .............................................................................................. 21

第三章变换器拓扑结构与工作原理 ................................................................... 22

§3.1 拓扑结构 .............................................................................................. 22

§3.2 基本工作原理 ...................................................................................... 23

§3.3 本章小结 .............................................................................................. 26

第四章变换器控制策略 ....................................................................................... 27

§4.1 变流器的数学模型 ............................................................................... 27

§4.2 双环控制系统的设计 .......................................................................... 29

§4.2.1 电压外环控制系统设计 ......................................................... 30

§4.2.2 电流内环控制系统的设计 ..................................................... 32

§4.3 调制方式选择 ...................................................................................... 34

§4.3.1 SPWM 工作原理 ......................................................................34

§4.3.2 SVPWM 工作原理 ...................................................................35

§4.3.3 SPWM 与SVPWM 工作对比分析 .....................................35

§4.4 中点电压控制策略 .............................................................................. 37

§4.4.1 硬件实现中点电压控制 ......................................................... 37

§4.4.2 bang-bang 控制中点电压的波动 ......................................... 39

§4.4.3 检测直流电压电流滞环控制中点电压波动 .......................... 39

§4.4.4 中矢量首发矢量五段式控制中点电压波动 .......................... 40

§4.5 软件锁相环的实现 .............................................................................. 41

§4.6 系统仿真 .............................................................................................. 42

§4.7 控制电路设计简介 .............................................................................. 47

§4.7.1 TMS320F2812 概述 ................................................................. 47

§4.7.2 硬件设计介绍 .......................................................................... 48

§4.7.3 软件设计介绍 ......................................................................... 49

§4.8 本章小结 .............................................................................................. 51

第五章总结与展望 ............................................................................................... 51

参考文献 ................................................................................................................. 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得结果 ..................................... 55

致谢 ......................................................................................................................... 56

第一章绪论

§1.1 引言

随着社会经济迅速发展，加剧了对能源的需求，石化能源也越来越少，而且

石油的消耗造成了对全球生态环境的严重污染，同时对人们的健康和生活造成重

大的危害。为了解决能源危机和保护环境，人们开始开发和使用可再生能源。自

从1973 年的石油危机之后，各国都在寻求可再生能源替代石化燃料，投入了大

量的人力和物力研究开发，大力发展风能、太阳能等可再生能源，因此，风能、

太阳能是最具开发价值的可再生能源，具有大规模的应用前景。风力发电技术也

随之迅速发展，现在已成为十分成熟的技术、为风能大规模的开发利用奠定了基

础。风力发电已逐渐成为重要的发电方式之一，具有无污染、占地少、装机灵活

等优点，因此受到了人们的重视，各国政府己经将对风能发电的重视程度提高到

前所未有的高度。

§1.1.1 风力发电的意义

风力发电意义重大其开发利用已经是大势所趋。风力发电的一种方式是，

非并网的(即离网型)供电系统，用来给哪些不易于通入并网交流电的地区供电，

解决该地区电力能的源匮乏问题。主要使用小型风力发电机或风光互补供电系统

发电来给蓄电池充电，将其发出的电通过变流装置变换成可被使用的交流电供负

载使用。另一种是并网运行供电系统，既可由单台并网，也可由多台，甚至可由

上千台组成风电场，国外称为风力田。过去风能重视不够、利用规模较小、，风

力发电大多以离网型为主，主要应用在一些电能不足的偏远地区。

近年来，随着风力发电技术不断的成熟，机组的容量设计原则遵循“更大、

更好”，风力发电发展规模化。西北部偏远地区以及东南沿海地区或海上岛屿等

地方，风能资源较丰富，大规模的开发利用已正在进行中。小型风力发电只能

解决供电难的偏远地区的用电，发展大型风力发电才能真正的缓解当今能源危机

和抑制环境污染。因此，风能发电应将会朝着大规模并网发电趋势方向发展，不

论对缓解全球能源危机还是抑制环境污染，都将起着积极的作用，具有广泛的市

场发展前景。

§1.1.2 全球风力发电的现状和发展趋势

随着世界各国政府对可再生能源开发的日益重视，风能具有越来越广阔的发

展前景。根据 GWEA《世界风电展望 2008》报告，国际能源署就能源市场在全

球的潜力方面进行了分析和预测，即便进行最保守的估计，到 2030 年为止，风

电将在全球的电力供应中占到 5%，到 2050 年将达到 6.6%。而进行一般性的估

计，这个比例将能达到 15.6%以及 17.7%。如果进一步作乐观的估计，这个比例

还将会更高。估计结果表明，不但全球在未来 30 年对可再生的、清洁电能的需

永磁直驱风力发电机机侧变流器的控制策略研究

求都可由风电承担，而且其对供电系统的渗透还将随着高能效技术的实现得以持

续增长[1]。

世界各国的风能发电的发展状况参差不齐，各不相同，且发展趋势也各不一

样。有的国家和地区和往年相比，总装机容量和增长比例发生下降的趋势，有的

发展迅速，保持较高的增长势头，有的发展严重滞后。就北美洲而言，2010 年，

风电总装机容量和 2009 年的 39%增长率相比，同比增长 16%，同比增长呈下降

趋势。其主要原因是美国新增装机容量的明显减少。亚洲总装机容量增长迅猛，

发展迅速，处于领先地位。欧洲总装机容量和往年相比，增长放缓，同比增长为

13.1%，但其中德国和西班牙却是领头羊，发展较快。大洋洲区域和 2006 年142%

增长率相比，2010 年的同比增长只有 0.5%。拉丁美洲和非洲风电产业和其它国

家和地区相比较，2010 年，风电装机容量极小，发展严重滞后。

就世界风电总装机容量的发展而言，同比增长呈下降趋势，但风力发电技术

发展和研究仍然呈上升趋势：研制大容量的风力发电机并以追求其成本低、可靠

性高为目标；海上风力发电机组研制追求可靠性高，重量轻;对各地风况进行详

细分析并研制先进分析系统；大力发展海上风力发电等。

§1.2 直驱永磁风力发电系统的研究现状

直驱永磁同步风力发电系统变流器将发电机发出的变化电压和频率的交流

电变换成直流电，再经逆变器变流成固定频率和电压的工频交流电并馈入电网。

对风力发电机变换器的拓扑结构的研究一直没有间断过，直驱风力发电现在

已经有多种拓扑结构，现总结如下[2-4]：

(1) 不可控整流器+晶闸管逆变器+无功补偿

在图 1-1 中，为一种早期应用的直驱式同步风力发电系统变流器拓扑结构，

发电机机侧进行不可控整流，直流侧进行滤波，网侧使用晶闸管逆变器将直流电

逆变并入电网。

图1-1 不可控整流器+晶闸管逆变器+无功补偿拓扑结构

这种拓扑结构具有结构简单，成本极低；不控整流桥一般容量较大，具有较

高的可靠性，不需要脉冲控制等特点；网侧晶闸管的优点是，成本较低，具有较

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摘要：

摘要随着全球环境污染的日益加剧以及对能源需求的日益增加，风能和太阳能等清洁、可再生能源脱颖而出，其开发和利用也越来越受到全世界人民的关注。尤其是风能发电，技术已十分成熟，风力资源分布广泛，因而发展势头迅猛。我国的风能资源十分丰富，研究和开发风能将会有效缓解我国电力供应紧张的局面，减轻其他高消耗能源所带来的环境污染问题。本文重点研究了直驱永磁同步风力发电系统的变流器拓扑及其控制策略。首先研究了风力机的原理，能量转换过程以及其基本运行特性，并由此对最大风能追踪捕获控制策略进行了研究。其次对永磁同步风力发电机侧变流器的控制系统进行研究，建立永磁同步电机数学模型并采用了基于转子磁场定向的id=0矢量控...

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