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摘 要

近年来，能源危机一直存在，风电在环境保护问题上的讨论持续不断。特别是大范围采用直驱永磁风力发电系统，它具有不复杂的机械结构，并且还有控制方便等的特性。本论文以背靠背PWM变换器的直驱永磁同步风电系统为研究内容，分析了其并网运行原理及拓扑结构。在三相静止坐标系、两相同步旋转坐标系下分别建立了永磁同步发电机和双PWM变换器的数学模型，同时叙述了双PWM变流器电机侧、电网侧的控制策略。最后在Matlab/Simulink中进行了直驱永磁风电系统并网运行仿真分析，得到了一个结论：该控制策略的直驱风电系统有良好的并网性能。

关键词：直驱风力发电；永磁同步发电机；双PWM变流器；并网运行特性；Matlab/Simulink



Modeling Research on Grid-connected Operation Principles of Direct-drive Wind Turbine

Abstract

In recent years, the energy crisis has always existed, and discussions on the issue of environmental protection in wind power have continued. In particular, a large-scale direct-drive permanent magnet wind power generation system is used, which has an uncomplicated mechanical structure and features such as convenient control. This thesis takes the direct-drive permanent magnet synchronous wind power system with back-to-back PWM converter as the research content, and analyzes its grid-connected operation principle and topology. The mathematical models of the permanent magnet synchronous generator and the dual PWM converter are established respectively in the three-phase static coordinate system and the two-phase synchronous rotating coordinate system. At the same time, the control strategies of the motor side and the power grid side of the dual PWM converter are described. Finally, a simulation analysis of the grid-connected operation of the direct-drive permanent magnet wind power system was carried out in Matlab/Simulink, and a conclusion was obtained: the direct-drive wind power system of this control strategy has good grid-connected performance.

Keywords: direct-drive wind power generation，permanent magnet synchronous generator，dual PWM converter，grid-connected operation characteristics，Matlab/Simulink

目录

第一章 绪 论 1

1.1选题背景和研究意义 1

1.2风电发展的基本情况 1

1.3直驱永磁风力发电系统的发展及研究现状 2

1.4本文主要研究内容 2

第二章 直驱永磁风力发电机组的并网运行原理和拓扑结构 4

2.1 运行原理 4

2.1.1 风力机的运行原理 4

2.1.2 直驱永磁风力发电机组并网运行原理 4

2.2拓扑结构 4

2.3小结 5

第三章 直驱永磁风力发电机组数学模型及并网运行控制策略 6

3.1直驱永磁风力发电机组数学模型 6

3.1.1风力机组的数学模型 6

3.1.2永磁同步发电机的数学模型 8

3.1.3双PWM变流器的数学模型 12

3.2直驱永磁风力发电机组并网运行时的控制策略 18

3.2.1电机侧PWM变流器控制策略 18

3.2.2电网侧PWM变流器控制策略 19

3.3小结 20

第四章 直驱永磁风力发电机组的仿真模型及分析验证 21

4.1模型结构 21

4.2仿真分析验证 22

4.2.1恒定风速 22

4.2.2阶跃风速 24

4.3小结 27

第五章 总结与展望 28

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪 论

1.1选题背景和研究意义

能源及能源利用问题一直受到人们的关注，没有能源，我们就没有物质基础，在社会上生活都成问题。同样，即使在能源充足的情况下，持续的能源滥用也会对社会的发展造成不可挽回的影响。当前，因为不可再生能源的滥用，我们的生产生活受到了威胁，生态可持续发展也受到了影响，生态系统也有失平衡。我们急需要解决能源利用这个问题。在很多可再生能源里面，风能存在很多可取之处，其分布广、还有较好的经济价值，并且在环保方面不会污染空气。目前，我国对于风能的使用随处可见，风能技术、效率水平也变得越来越高。通过了解发现，风能利用有着巨大的潜力，可以缓解能源生产的压力。

永磁同步发电机（PMSG）在风力发电中被大量采用，其有着不复杂的结构，其中不使用励磁绕组，同时工作效率高。直接驱动式永磁风力发电系统通过采用全功率并网变换器和电网相连，这样的方式实现了发电机和电网的完全隔离。直接驱动式风电机组同双馈型风电机组做对比，它有更大的潜力优势。永磁体给它提供激励，发电效率较好。直驱永磁风电机组的转子上也没有滑环，维护成本和机械损耗相对减少，为其安全运行提供了一份保证。直接驱动式风电机组是一种发展趋势，对这一问题的研究具有一定的现实意义。

1.2风电发展的基本情况

风力发电是可再生能源中具有很大优势的发电方式，并且储量充足无处不在，另外风力发电技术和相关设备水平在不断提高，全球风电产业蓬勃发展。如表1.1所示为全球及我国风电的历史发展。

表1.1 全球及我国风电的历史发展

表1.1 （续）

1.3直驱永磁风力发电系统的发展及研究现状

在20世纪90年代后期，以变速恒频技术为背景的许多变速风力发电机组出现在了风力发电场。变速恒频风力发电机组的主要特点是：一是风速低于额定风速时，最佳功率曲线能够被变速恒频风电机组以很高的程度追踪到，所以风电机组的风电转换效率有更高的水平，更好的优势；二是风速高于额定风速时，传动系统会更加灵活，能够为平稳可靠的输出功率增加一份保证，特别是在参与电网电压调节，惯性响应和一次调频等问题之后，向电网输送的电能具有了更快效率、更优质量的特点。风力发电机组从定桨距恒速运行到基于变速和恒定频率技术的变速运行的发展，实现了能向电网提供电能到理想地向电网提供电能的转变。变速恒频技术具有的优势：一是运行速度是能够被大范围调整的，这样可以更好的接受风力发电机的功率变化，同时风能可以被更高效率的转换；二是系统的有功功率和无功功率能够被控制系统更灵敏的调节。

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