永磁同步直驱式风力发电并网系统
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摘 要
随着全球能源危机和环境污染问题的日益加重，以风能、太阳能为代表的新
能源的开发利用受到了人们越来越多的关注。尤其是风力发电，因其技术的成熟
性和资源的广布性，更是发展迅速。跟传统的双馈风力发电系统相比，直驱式风
力发电系统因为减少了增速齿轮箱，降低了系统的维护成本，增加了系统的可靠
性，因而能够更加适应目前发电系统的要求。直驱式风力发电系统的控制部分包
括机侧变流器和网侧变流器的控制。机侧变流器的控制策略直接影响到发电机定
子输出地有功功率以及系统的风能利用系数。机侧变流器的控制策略将直接关系
到发电机与电网之间的有功输出和电网电压的无功调节。所以针对控制策略进行
研究，是风力发电系统提高性能的核心部分。
本文主要针对网侧变流器的控制策略进行了研究，建立了网侧变流器的数学
模型，根据该数学模型，确立了电压、电流双闭环控制的控制结构，即通过稳定
直流母线电压来确保系统输出有功功率的平衡，同时通过单独控制无功电流分量
来控制系统的无功调节。采用高性能的数字信号处理器TMS320F2812做为控制芯
片，同时采用IPM智能模块作为被控器件，对系统主电路各器件进行选型并给出了
依据，完成了系统的硬件设计。软件部分采用空间矢量控制算法，用C语言编写了
控制系统的程序，并通过实验进行了论证。另外本文还针对现在能源利用率的热
点问题，进行了研究，提出了采用功率反馈的最大风能跟踪策略。最后对工作的
不足之处以及未来的研究方向进行了展望。
关键词：直驱风力发电,网侧变流器，双闭环控制, SPWM, SVPWM，
最佳风能跟踪
ABSTRACT
With the deterioration of global energy crisis and environmental issue,
exploitation and usage of renewable energy such as wind, solar, and so forth
increasingly came into public’s attention, especially for the electricity generation from
the wind energy, development has been burgeoning in this area for its technological
maturity and resource distribution. Compared to traditional double-fed wind turbine
generator system, direct drive mode system could adapt present generator system
requirement due to reduction of generator speed-increasing gearbox, decrease of
maintenance cost of system, and enhancement of system reliability. Direct drive mode
wind power generator system contains two control parts—generator-side converter
control and grid-side converter control. The former’s control strategy directly
influences active power of generator stator as well as the outcome of it and reactive
power regulation of grid voltage. Therefore, research on the strategy serves as
backbone of improvement of wind power generation system performance.
This thesis mainly builds mathematical model of grid-side converter based on the
research aimed at the regulation strategy of the converter. According to the model,
voltage and current double closed loop control structure is set up, namely, stabilization
of DC bus bar voltage to make sure the balance of active power outcome and
individual control on component of reactive current to adjust reactive power of system.
The high-performance digital signal processor TMS320F2812 is adopted as the control
center chip, and IPM smart module is selected as the manipulated device. Furthermore,
the main circuit determined depending on requirements, which are also demonstrated,
screens out all elements. The system hardware design is completed successfully, while
for the software part, with the space vector control algorithm employed and C
programming language in the program code of control system, the experiment was
conducted with desirable outcomes and certifies the research. In addition, this thesis
involves the research on the hotspot issue about utilization efficiency of energy, raising
maximum power point tracking strategy based on power feedback. Ultimately, it
makes discussion on the shortcomings and prospects of future research.
Key Word：Drive Direct Mode Wind Turbine Generator, Grid-side
Converter, Double Closed Loop, SPWM, SVPWM, Maximum Power
Point Tracking
目 录
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 国内外风力发电的发展现状 .................................................................2
§1.2 风力发电系统的研究现状 ...............................................................................3
§1.2.1 变速恒频风力发电系统的发展现状 .....................................................3
§1.2.2 永磁直驱式同步发电机风力发电系统的研究现状 ..............................6
§1.3 课题研究意义和研究内容 ...............................................................................8
第二章 永磁同步电机数学模型和最大风能控制策略 ...............................................10
§2.1 永磁同步电机的数学模型 .............................................................................10
§2.1.1 三相静止坐标系下的永磁同步电机数学模型 ...................................10
§2.1.2 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换（3s/2s 变换） ............. 12
§2.1.3 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换（2s/2r 变换） ..............13
§2.2 最大风能跟踪控制策略 .................................................................................15
§2.2.1 风力机的基本特性 ...............................................................................15
§2.2.2 采用功率反馈法的最大风能跟踪控制方法 .......................................17
§2.3 本章小结 .........................................................................................................18
第三章 电网侧变流器控制策略 ...................................................................................19
§3.1 电网侧变流器的控制原理 .............................................................................19
§3.2 电网侧变流器的数学模型 .............................................................................20
§3.2.1 三相静止坐标下的数学模型 ...............................................................20
§3.2.1 两相旋转坐标下的数学模型 ...............................................................23
§3.3 双闭环控制系统 .............................................................................................24
§3.3.1 电压外环控制系统 ...............................................................................25
§3.3.2 电流内环控制系统 ...............................................................................27
§3.4 本章小结 .........................................................................................................29
第四章 永磁风力发电系统并网变流器主电路设计 ...................................................30
§4.1 变流器的主电路总体结构 .............................................................................30
§4.2 IGBT 模块的选型和设计 ............................................................................... 30
§4.3 IGBT 隔离保护电路的设计 ........................................................................... 32
§4.3.1 电平转换电路 .......................................................................................32
§4.3.2 光纤隔离电路 .......................................................................................33
§4.4 LCL 滤波电路的选型和设计 ......................................................................... 36
§4.5 直流母线电容的选取 .....................................................................................37
§4.6 预充电回路 .....................................................................................................38
§4.7 调制方法的选择 .............................................................................................38
§4.7.1 SPWM 的调制方式及其在 DSP 上的实现 ......................................... 38
§4.7.2 空间矢量（SVPWM）调制方法及其在 DSP 上的实现 ...................46
§4.8 网侧逆变器的软件实现 .................................................................................55
§4.8.1 基于空间矢量控制算法的网侧逆变器整体实现 ...............................55
§4.8.2 DSP 软件实现的系统初始化以及系统自检模块 ............................... 56
§4.8.3 基于事件管理器的 SVPWM 的生成模块 ..........................................58
§4.9 实验结果分析 .................................................................................................59
§4.8.1 基于 TMS320F2812 的SVPWM 波形 ............................................... 59
§4.8.1 风力发电并网逆变器的输出电压、电流波形 ...................................60
§4.10 本章小结 .......................................................................................................61
第五章 总结与展望 .......................................................................................................63
附录：SVPWM 各扇区划分程序 .................................................................................64
参考文献 .........................................................................................................................67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................70
致 谢 .............................................................................................................................70
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
§1.1.1 风力发电的意义[1~2]
风能是太阳辐射造成地球各处受热不均，引起各地温差和气压不同，导致空
气运动而产生的能量。风能蕴藏量丰富，可再生，分布广并且无污染。自然界的
风能资源储量是极其巨大的，根据世界气象组织估计，整个世界可利用的风能有
2×107MW，为全世界可利用水能的 10 倍。风能利用的形式有风力发电、风力提
水、风力制热和风帆助航等，其中风力发电是主要开发利用的形式。风电一方面
有丰富的资源作为保证，而近几十年随着技术的成熟，风电也已经可以适应工业
化的要求，大规模、密集的供应电力。
进入 21 世纪以来，工业发展迅猛，导致人类对能源的需求量不断增长，同时
对环境的污染也在不断恶化 ，能源短缺与环境问题已经成为人类发展面临的两大
难题。据专家预测，照目前使用速度来看，全球煤炭还可开采 221 年，石油 39
年，而天然气只能使用 60 年。因而世界各国都在积极探索发展新型能源，特别是
清洁可再生能源。与传统能源相比，风力发电具有不依赖矿产资源，没有燃料价
格风险，发电成本稳定，也没有包括碳排放等环境成本。同时，可利用的风能在
全球范围内分布都很广泛。正是由于这些原因，风力发电已经在全世界范围内收
到了广泛的重视，逐渐成为各个国家可持续发展战略的重要组成部分，在部分国
家已经成为重要的能源供给组成部分。风电产业和技术的迅猛发展，风电已经成
为可再生能源中极具规模坏开发和商业化发展前景的一种能源。
中国是世界上面临能源短缺最严重的国家之一。据报道，中国的煤炭储量只
占世界煤炭平均水平的 51.3%，石油仅为 11.3%，天然气只有 3.78%，人均商品能
源消费为世界人均值的 55%，仅为发达国家人均值的 17%，家庭人均用电量只有
美国的 2.4%。单位国民的生产总值能耗高于发达国家和其他发展中国的平均值。
而中国却是世界上能源消耗第二大国，中国能源消耗排放的二氧化碳占各种温室
气体排放量的 80%。中国温室气体排放量约占世界温室气体排放量的 13%，仅次
于美国位居世界第二，国际能源组着甚至预计以中国目前二氧化碳排放速度发展
下去，中国将会在 2030 年超过美国成为世界第一。为此，中国政府正在积极开展
措施，不惜一切代价，解决能源短缺问题。
我国领土多位于北半球，幅员辽阔，海岸线长，风力资源相当丰富，开发潜
力巨大。我国风力资源主要分布在东南沿海及附近岛屿，我国有海岸线 18000 多
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摘要随着全球能源危机和环境污染问题的日益加重，以风能、太阳能为代表的新能源的开发利用受到了人们越来越多的关注。尤其是风力发电，因其技术的成熟性和资源的广布性，更是发展迅速。跟传统的双馈风力发电系统相比，直驱式风力发电系统因为减少了增速齿轮箱，降低了系统的维护成本，增加了系统的可靠性，因而能够更加适应目前发电系统的要求。直驱式风力发电系统的控制部分包括机侧变流器和网侧变流器的控制。机侧变流器的控制策略直接影响到发电机定子输出地有功功率以及系统的风能利用系数。机侧变流器的控制策略将直接关系到发电机与电网之间的有功输出和电网电压的无功调节。所以针对控制策略进行研究，是风力发电系统提高性能的核心部分。...
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作者：陈辉
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时间：2024-11-19
