小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

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摘要：風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，不僅可以緩解能源危機(jī)，而且有利于環(huán)保，可帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此近年來受到各界廣泛關(guān)注，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展迅猛。目前獲得廣泛應(yīng)用的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機(jī)，但是效率不高。并且由于必須采用升速齒輪箱，系統(tǒng)的可靠性不高。而采用永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因其具有效率高、制造方便、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為人們研究的焦點(diǎn)。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，即風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本文通過研究風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)各自的特性和運(yùn)行機(jī)理，建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。具體包括風(fēng)速數(shù)學(xué)模型、風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型、永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電能轉(zhuǎn)換模塊數(shù)學(xué)模型，并在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建了整個(gè)仿真系統(tǒng)的模型。
研究了網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型與控制策略。建立了三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和等效電路；對(duì)比分析了電壓定向控制、直接功率控制、虛擬磁鏈定向控制和虛擬磁鏈-直接功率控制等四種控制策略的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。本文基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的機(jī)側(cè)變流器矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲，提高了發(fā)電機(jī)的效率。
通過以上研究，對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的的理論和實(shí)踐有了更加深刻的了解。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；建模仿真



Study on the small PMSG wind power system
ABSTRACT：As a clean and renewable energy，not only can ease the energy crisis，but also conducive to environmental protection，it can bring direct economic benefits and social benefits．Therefore，in recent years，it become extensive attention and various．Wind power industry has developed rapidly．Currently available and widely used multi-grid wind power generation systems using induction generators，But efficiency is not high．．And because it used the speed gearbox，SO the system reliability is not high．The use of direct drive permanent magnet synchronous generator wind power system，because of its high efficiency，and the convenience，control，and good results．
The power system consist of two energy conversion process，namely wind turbine convert wind power to mechanical energy and generator convert mechanical energy to electrical energy．This paper studies the characteristics and operation mechanism of wind turbine and PMSG to establish a permanent magnet direct drive wind power generation system model，including wind speed model，wind turbine model，permanet magnet synchronous generator model and mathematieal model power converter model．And carries out a model of the simulation system in Matlab／Simulink．
Modeling and control of line-side converter have been discussed．Mathematical model and equivalent circuit of line-side converter are established；The working principle，advantages and disadvantages of voltage oriented control，direct power control，virtual flux oriented control and virtual—flux-based direct power control are analyzed and compared in detail．This paper based on rotor flux oriented presents machine side—converter vector control method to achive maximum power transfer and improve the efficiency of the generator.
Through the above research, have a more profound understanding of the direct drive permanent magnet wind generation system in theory and practice.
Key word：permanent magnet synchronous generators；direct-drive wind power system；mathematical model；modeling and simulation


目 錄
第1章 諸論 1
1.1 課題研究的依據(jù) 1
1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 全功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1
1.2.2 網(wǎng)側(cè)變流器研究現(xiàn)狀 3
1.2.3 電機(jī)側(cè)變流器研究現(xiàn)狀 5
1.3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究意義 6
第2章 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 7
2.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 7
2.1.1 風(fēng)力機(jī)模型 7
2.1.2 直驅(qū)式變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 8
2.2 網(wǎng)側(cè)PWM變流器的數(shù)學(xué)模型 10
2.2.1 PWM整流方案 10
2.2.2 基本工作原理 11
2.2.3 數(shù)學(xué)模型 12
2.3 本章小結(jié) 13
第3章 機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的控制策略分析 14
3.1 網(wǎng)側(cè)控制策略分析 14
3.1.1 電壓定向控制 14
3.1.2 直接功率控制 17
3.1.3 基于虛擬磁鏈的控制策略 19
3.1.4 控制策略對(duì)比 21
3.2 機(jī)側(cè)控制策略分析 22
3.2.1 額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤算法（MPPT） 23
3.2.2 轉(zhuǎn)速外環(huán)控制策略 24
3.2.3 電流內(nèi)環(huán)控制策略 25
第4章 MATLAB仿真分析 28
4.1 進(jìn)行建模仿真研究的必要性 28
4.2 直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn) 29
4.2.1 風(fēng)力機(jī)的仿真模型 29
4.2.2 SVPWM脈沖輸出仿真模型 31
4.2.3 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)整體仿真模型 31
4.3 仿真結(jié)果 33
總結(jié)與展望 42
致 謝 44
參考文獻(xiàn) 45