论文总字数：23190字

摘 要

永磁直驱风力发电机组作为变速恒频机组由于其没有电励磁部分能量转换效率高，没有齿轮箱增速系统运行稳定不需要经常维修等特点成为当下风力发电机的主要类型。本文主要对于双PWM永磁直驱风力发电机及其控制系统进行了详细的数学建模，并在PSCAD仿真平台中搭建了永磁直驱风力发电系统，仿真研究其全风速运行特性和风机的低电压穿越特性。

详细分析了组成永磁直驱同步风力发电机组各部分的数学模型，包括风速，风力涡轮机，传动链，同步电机，直流卸荷电路和电容,全功率换流器，输电线路等部分的模型。并分析了永磁直驱电机的控制部分，对于风轮部分，主要是追大功率追踪，介绍了最优叶尖速比控制，对于功率大于基准功率之后的部分，采用变桨距角控制，减少风机捕获风能使其维持在1左右；对于机侧变换器，主要控制同步机发出的有功功率；对于卸荷电路直接采用滞缓比较，电压超过1.1倍标幺值启动电压小于后关闭；对于网侧控制器，主要控制直流母线电压和风机想电网注入无功功率。

利用电磁暂态仿真软件，对全风速下的风机运行特性进行了仿真，风机输出符合预期；通过设置交流侧故障，卸荷电路可以降低直流母线电压过载倍数，有利于设备保护，并且提高风机低电压穿越能力。

关键词：风力发电，永磁直驱同步风力发电机组，全功率换流器，电磁暂态仿真

Abstract

Permanent-magnet direct-drive wind turbines as a variable-speed constant-frequency generating unit have high energy conversion efficiency because they have no electric excitation, and no gearbox speed-increasing system is stable and does not require frequent maintenance and the like is the main type of current wind turbines. In this paper, the mathematical model of the dual-PWM permanent-magnet direct-drive wind turbine generator and its control system is described in detail. A permanent-magnet direct-drive wind power system is built in the PSCAD simulation platform to simulate its full-speed operation characteristics and the fan's performance. Low voltage ride through characteristics.

The mathematical model of each part of the permanent magnet direct drive synchronous wind turbine generating unit is analyzed in detail, including wind speed, wind turbine, transmission chain, synchronous motor, DC bleeder circuit and capacitor, full power converter, transmission line and other models. And analyzed the control part of the permanent magnet direct drive motor, for the wind wheel part, mainly chasing high power tracking, introduced the optimal tip speed ratio control, for the part of the power after the reference power, using variable pitch angle control, Reduce the wind turbine capture wind energy to maintain it at about 1; for the machine side converter, the main control of the active power issued by the synchronous machine; for the diarrhoea circuit directly using the delay comparison, the voltage exceeds 1.1 times the target value of the start voltage is less than the closure; The network side controller mainly controls the DC bus voltage and the fan wants to inject reactive power into the grid.

The electromagnetic transient simulation software is used to simulate the fan's operating characteristics at full wind speed. The fan output meets expectations. By setting the AC side fault, the bleeder circuit can reduce the DC bus voltage overload multiple, which is beneficial to equipment protection and improves fan performance. Voltage ride-through capability.

KEY WORDS: Wind power, Permanent magnet direct drive synchronous wind turbine, Full power inverter, Electromagnetic transient simulation

目录

摘要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要工作 2

第二章 永磁直驱风力发电系统的数学建模 3

2.1 风电机模型 3

2.1.1 风速模型 3

2.1.2 风轮模型 3

2.1.3 永磁同步发电机模型 4

2.2 全功率换流器模型 6

2.2.1 网侧变流器模型 6

2.2.2 直流环节模型 7

2.2.3 机侧变流器模型 8

第三章 永磁直驱发电系统的控制策略 9

3.1 变换器控制 9

3.1.1 机侧变流器控制 9

3.1.2 网侧变流器控制 9

3.2 保护控制 10

3.2.1 风机功率限制保护 10

3.2.2 风机直流电压保护 12

第四章 永磁同步直驱风机PSCAD建模 15

4.1 风机模型 15

4.1.1 风轮机模型 15

4.1.2 传动链模型 15

4.1.3 永磁同步电机模型 15

4.2 风机并网部分建模 16

4.2.1 全功率换流器模型 16

4.2.2 变压器及线路模型 16

4.3 控制系统建模 17

4.3.1 机侧控制 17

4.3.2 网侧控制 18

4.4 保护电路控制建模 18

4.4.1 卸荷电路控制 18

4.4.2 功率控制 18

4.4.3 桨距角控制 19

第五章 基于PSCAD的永磁直驱同步风机仿真实验 21

5.1 参数设置 21

5.1.1 风轮参数 21

5.1.2 同步机参数 21

5.1.3 并网侧基本参数 21

5.2 全风速范围下的风机仿真分析 22

5.3 系统电压跌落时的风机仿真分析 24

第六章 结论与展望 28

6.1 结论 28

6.2 展望 28

致谢 30

参考文献 31

绪论

研究背景

目前，化石燃料的过度使用对全球气候产生巨大影响。燃料短缺和资源枯竭等直接问题凸显了人类社会同时发展的困境。诸如温室效应和大气污染等衍生问题正在全球受到关注，以石油煤炭为代表的化石能源总量是有限，有关专家预测，到2030年，化石燃料的总使用量将达到峰值，然后化石燃料数量将开始减少；到2050年，化石燃料的使用量将降到最低；正是由于传统能源的各种弊端，人类迫切需要清洁，无污染和可再生的新能源。风力发电技术凭借其易获取，高能量密度，安全，无污染等独特优势在可再生绿色能源开发中占有极其重要的地位^[1]。

与其他风力发电机组不同，永磁同步发电机由永磁体激励，并且转子上没有励磁绕组。因此励磁绕组无铜损，效率高于相同容量的电励磁发电机；转子上没有滑环，运行安全可靠。风机和永磁发电机通过轴直接连接，省去了增速齿轮箱，大大提高了系统的可靠性，降低了系统运行噪音，减少了发电机的维护工作量。永磁同步发电机通过背靠背全功率逆变器连接到电网。通过变换器控制系统的功率输出，实现了风机的变速运行。使用永磁励磁大大简化了电机结构，降低了发电机的体积和质量，制造容易，具有良好的应用前景^[2]。

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