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1、摘 要近年来风力发电机数量不断增多，探究风力发电变流器的响应性能也愈趋迫切。论文主要目的是探究1.5MW风力发电系统的响应性能，分析变流系统的数学模型并确定相应的控制策略，为风力发电系统的设计提供参考。在永磁同步风力发电系统的理论基础上，利用仿真软件Matlab/Simulink建模得到风能利用系数和功率及转速曲线，并分析曲线中各量变化对系统的影响。同时建立PMSG的数学模型。通过对机侧和网侧变流器数学模型的分析，探究了其两侧变流器的控制方法，建立电机侧控制器模型以及网侧控制器模型。最后对永磁风力发电系统进行性能分析，分析表明直流母线电压和逆变器侧电流对系统影响较大。进一步建立1.5MW直驱永
2、磁同步风力发电系统模型。就风速跳变对发电系统进行仿真，各量的仿真波形表明所采用的控制方法符合系统运行特性，所建立的模型同样符合系统要求。关键词: 变流器；并网运行；Matlab；建模AbstractWith the increasing number of wind turbines in recent years, the response performance of wind power converters is becoming more and more urgent. The main purpose of this paper is to explore the respons
3、e performance of 1.5MW wind power generation system, analyze the mathematical model of the variable flow system and determine the corresponding control strategy, which provides reference for the design of wind power generation system.Based on the theory of permanent magnet synchronous wind power gen
4、eration system, the wind energy utilization coefficient, power and rotational speed curve are obtained by using simulation software Matlab/simulink, and the influence of each quantity change in the curve on the system is analyzed. The mathematical model of PMSG is also established. Through the analy
5、sis of the mathematical model of the machine side and the network side converter, the control methods of the two sides of the converter are explored, and the model of the motor side controller and the network side controller is established. Finally, the performance analysis of permanent magnet wind
6、power generation system shows that the DC bus voltage and inverter side current have great influence on the system. The model of 1.5MW direct-drive permanent magnet synchronous wind power generation system is further established. The simulation of the wind speed jump on the power generation system s
7、hows that the control method is in accordance with the operating characteristics of the system, and the model also conforms to the system requirements.Keywords: Converter Parallel Operation Matlab System model目 录第1章 绪论11.1 风力发电的发展21.1.1 国内外风力发电的发展史21.2 研究目的和意义3第2章 永磁风力发电系统的运行原理42.1 风力发电系统42.2 风能利用系数
8、及功率特性42.3 永磁同步发电机的数学模型6第3章 永磁风力发电机变流系统的控制方法103.1双PWM控制103.2 三相电压型整流器控制103.3 电机侧变流器控制策略113.4 矢量控制技术123.5 网侧变流器控制策略143.6 电压外环控制163.7 电流内环控制183.8并网逆变器的直接电流控制20第4章 永磁风力发电机系统动态仿真244.1 永磁风力发电机系统的动态性能分析244.2 永磁同步风力发电系统仿真25第5章 总结30参考文献31致 谢32第1章 绪论由于世界人口在不断增长，世界的经济发展也越来越快，所以人类对能源的需求也逐渐加大。因为长期对传统能源的消耗，生态问题和能
9、源剧减问题逐渐暴露。煤、石油、天然气的利用约占一次能源消耗的四分之三，是地球的三大主力能源。煤、石油的利用不仅会产生有害气体，还会造成温室效应，导致全球变暖，这对人类的生存发展极为危险。而化石性能源地球储存量少，不仅价格较高，而且对环境的影响较大。照目前的发展趋势，三大主力能源将有可能在50300年内消耗殆尽。所以对可再生能源的开发利用是当今时代发展的首要任务。在这种背景下，分布式发电(Distributed Generation, DG)受到了广泛的关注，常见的分布式发电主要包括光伏发电、风力发电、微燃机、燃料电池等。分布式发电与传统发电方式相比，具有污染小、成本低、安装运行方便等优点，而且
10、分布式发电系统可以就近供电，减少线路损耗;还可以降低温室气体排放，减少环境污染，为社会提供清洁能源，实现低碳经济。尽管分布式发电优势很明显，但是分布式发电输出功率的波动性、随机性、间歇性等特点，也给大电网带来许多问题，例如大规模的分布式电源并网时，会对大电网的电能质量以及电网安全可靠性造成很大的影响。为了解决上述问题，充分发挥分布式发电的优势，克服分布式发电对大电网造成的不良影响，提高电力系统运行的灵活可控性，微网(Microgrid)的概念应运而生。微网是一种由微电源(Microsources，即:微网中的分布式电源)、储能装置、能量装换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型发配电系统，
11、是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统微网作为一个子系统与大电网相连，通过灵活的控制方式内部解决分布式电源直接并网产生的负面问题，相对于主电网来说，该子系统是可控的。微网技术提高了电力系统运行的安全性、可靠性，为分布式电源发电规模化应用提供了新的有效技术途径。微网已经成为电气工程研究领域的最新的热门课题之一，受到了世界各国越来越多的关注。由于风力发电对环境污染影响小；发电成本低；占地面积小；技术发展成熟，所以风力发电在我国乃至世界都具有很大的发展潜力。传统的变速恒频风力发电系统主要由风力机、齿轮箱和发电机三个部分组成。在发电系统的工作过程当中，齿轮箱的噪声污染严重，又因为齿轮箱经常损坏，
12、使系统不能正常运行，所以对风能的利用效率不高。最新的直驱永磁风力发电系统则满足了现代发展的需求。其变流系统功率的转换，提高了风能利用率，动态响应快，所以直驱永磁同步风电系统在风能领域扮演着重要角色。直驱式风力发电系统采用低速永磁同步发电机，没有齿轮箱，其体积较小，噪音较低，故障率也大大减小。其转子为永磁式，结构、维护简单。且无需外部励磁，使系统运行可靠性得到提高。双PWM变流系统对电网扰动的抵抗能力强，对有功功率和无功功率的调节作用明显，并网特性良好。虽然变流器成本较高，但结合其优越的并网能力和对风能利用的高效率，使其成为未来风电领域的一个趋势1。本文对直驱永磁同步风力发电系统的组成进行了介绍
13、，并探究变流系统的控制策略。建立PMSG系统动态模型，对风电系统进行了仿真。1.1 风力发电的发展1.1.1 国内外风力发电的发展史在古代风能主要用来帮助帆船运行和进行水利灌溉等。国外从19世纪末，就产出了一台12KW的由雪松木构成的风力发电机，其运行了近20年。20世纪50年代丹麦研制出了200KW的异步风力发电机，标志着“丹麦概念”风力发电机的产生。在同一时期，美国和德国对风力发电机的设计也逐渐形成了自己特有的风格。虽然当时因为造价高的问题和运行不稳定的问题淘汰了大批发电机组。但是这一阶段对风机发电机的实验和积累对之后发电机组的发展有着至关重要的作用。20世纪70年代，石油危机的爆发，使得
14、风力发电机组从小型逐渐向大中型发展。兆瓦级的风力发电机组从20世纪90年代就开始流行，恩德公司在这时期研制了全球第一台兆瓦级的风力机组。随着时代发展，人类对风力发电的开发技术日益提高，大功率的发电机组成为主流机型。21世纪以来，直驱式风力发电机的市场占有量越来越高，近阶段，该德国Enercon企业已开发出7MW功率的直驱式励磁风力发电机组。由于市场需求，西门子公司对风力发电的研究技术也日趋成熟，该公司研制有多种兆瓦级容量的发电机组。近年来，政府在政策上也重点鼓励风力发电发展建设，使得风力发电很快进入了大规模稳步发展阶段。随着开发大型机组技术的成熟，我国对大型并网机组进行研制的公司也在不断增加。
15、在大型并网直驱永磁风力发电领域，我国产出风力发电机组的数量居世界前列。市场的主力机型多为12.5兆瓦。风机容量越大，其综合经济效率越高。同时，人类对风能的利用也从陆地发展到海上，海上风力发电成为新的发展趋势。目前，国内1.5MW直驱永磁机组已批量投入运行。在21世纪，中国风力发电机组装机数量实现飞跃式发展。现阶段，我国装机容量在世界趋于领先地位。1.2 研究目的和意义本文用“1.5MW直驱永磁同步风力发电系统分析”作为研究背景，将直驱风力发电系统变流器作为探究起点，重点研究风力发电系统的动态性能和变流系统的控制方法，利用Matlab/Simulink建立在PWM变流器矢量控制方法，以及通过PI
16、整定基础上的电机侧控制器模型。网侧控制器模型使用电压外环和电流内环的方法进行控制。利用Matlab/Simulink建立系统仿真模型，验证控制策略的合理性。我国经济发展迅速，经济发展带动能源的发展。风力发电机的系统结构简单，同时，风力发电机组建设周期较短，适合目前的经济发展需求。双PWM变流系统的运用提高了风能的可利用率。中国地貌丰富，幅员辽阔，风能资源分布广泛，风能的发展前景非常乐观。因为我国风力发电技术相对成熟，为了解决环境污染和不可再生能源日益短缺问题，风力发电是个真实可靠、卓有成效的解决方法。变流器作为直驱风力发电系统电能传输的唯一通道，加强对变流系统的创新研究十分必要。第2章 永磁风力发电系统的运行原理2.1 风力发电系统对其他的发电装置来说，风力发电使
