多模块并联的双PWM永磁直驱风力发电实验平台若干关键技术研究

摘要

风能的大规模开发及有效利用已成为缓解能源危机和减轻环境恶化的迫切需求。随着电力电子技术的进步及其在风力发电中的深入应用，变桨距功率调节与变速恒频已成为风力发电技术发展的新趋势，以双馈感应风力发电与永磁直驱风力发电为代表的新型风力发电技术应运而生。其中，永磁直驱风力发电技术以低噪音、高效率、高可靠性、优越的控制性能及其在建立电网友好型风力发电系统的技术优势，日益成为关注的焦点。在实验室环境下建立永磁直驱风力发电实验平台，以研究、开发和测试风力发电技术和相关产品，可降低研发成本并提高研发效率和灵活性。
　　 本文对永磁直驱风力发电技术及其实验平台关键技术研究现状作了概述。以此为基础，对多模块并联的双PWM永磁直驱风力发电实验平台若干关键技术进行了研究，主要包括风力机模拟、多模块并联技术及实验平台最大功率追踪(MPPT)的实现。
　　 首先，对传统的直流电动机模拟风力机控制策略，如单闭环转矩控制、单闭环电枢电流控制及双闭环转速控制等进行了总结。其中，单闭环转矩控制与单闭环电枢电流控制指令的准确计算很大程度上依赖于直流电机的精确参数，而双闭环转速控制虽然对电机参数依赖性不强，但与实际的风力机运行机制存在较大差距。因此，本文提出直接控制直流电动机的输出功率来模拟风力机捕获的风能，与实际的风力机运行机理更为接近，由于其实际功率的计算只需端电压与电枢电流的检测，其对电机参数的依赖性不强。仿真与实验结果有效验证了这种控制策略的可行性。
　　 然后，在总结现有的PWM变流器并联方式的基础上，提出本实验平台采用载波移相线路级并联方式，以等效提高系统的开关频率，降低开关损耗，减小滤波器设计尺寸。然而，这种并联方式会引入较为严重的零序环流问题，增加开关管应力和线路损耗，对控制电路也会带来不必要的电磁干扰。因此，针对载波移相线路级并联的零序环流，本文从零序开关状态对其产生的机理进行了深入分析，提出了独立直流母线的新型抑制策略，切断零序环流通路，有效地抑制了零序环流，并得到了仿真和实验验证。
　　 最后，本文分析了现有风力发电最大功率追踪(MPPT)实现方案，结合本实验平台的特点，即不需风速检测但需要各种风速变化情况，选择采用最佳叶尖速比(TSR)控制实现双PWM永磁直驱风力发电实验平台MPPT。由上位机模拟风场特性(包括空气密度、风速、桨距角及风轮属性等)，发电机侧变流器对永磁发电机进行转子磁场定向的矢量控制，使其运行于最佳转速，获得与当前风速对应的最佳TSR，同时以最大功率指令控制直流电动机的输出功率模拟风力机捕获的最大风能，网侧变流器稳定直流侧电压，并将发电机侧的风能以单位功率因数馈入电网，最终实现模拟平台的MPPT.仿真和实验有效地验证了这种MPPT控制策略的正确性和可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1国内外风能利用概况

1.2风力发电技术发展历程及永磁直驱风力发电技术研究现状

1.3永磁直驱风力发电实验平台关键技术研究现状

1.3.1风力机模拟

1.3.2 PWM变流器并联技术

1.3.3风力发电MPPT技术

1.4本文的主要工作

1.5本章小结

第二章直流电动机模拟风力机

2.1风力机的功率特性

2.2最大风能捕获原理

2.3直流电机模拟风力机控制策略

2.3.1他励直流电动机的功率特性

2.3.2直流电机功率控制策略

2.4直流电机主电路及控制系统设计

2.4.1直流电机主电路

2.4.2直流电机控制系统设计

2.5仿真与实验

2.5.1直流电机模拟风力机仿真

2.5.2直流电机模拟风力机实验

2.6本章小结

第三章PWM变流器CPS线路级并联零序环流分析与抑制

3.1线路级载波移相并联技术

3.1.1三相PWM变流器的线路级并联

3.1.2三角载波移相并联技术

3.2载波移相并联零序环流问题及其机理

3.2.1载波移相并联零序环流问题

3.2.2载波移相并联零序环流形成机理

3.3载波移相并联零序环流抑制新方法

3.4实验验证

3.5本章小结

第四章永磁直驱风力发电实验平台MPPT的实现

4.1 MPPT控制策略

4.2风场特性模拟

4.2.1 TSR与最大功率关系

4.2.2上位机模拟风场特性

4.3永磁发电机侧变流器控制

4.3.1永磁发电机侧变流器控制策略

4.3.2永磁发电机侧变流器控制系统设计

4.4并网变流器控制

4.4.1并网变流器控制策略

4.4.2并网变流器控制系统设计

4.5 MPPT仿真

4.6 MPPT实验

4.6.1实验条件

4.6.2系统工作流程

4.6.3程序控制流程

4.6.4实验结果

4.7本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

附录—装置图片

参考文献

硕士在读期间发表的论文

致谢