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摘 要

随着世界各国对环境保护问题的重视，还有全球能源供应问题的紧张形势，人们把目光投向了清洁性能源。由此，光伏发电和风力发电技术脱颖而出。风力发电技术是清洁性能源开发的重要组成部分。风力发电机组的核心技术是变流器。本文介绍了风力发电的现实背景和它的重要意义，并且还有对国内外现状的描述还有当下的技术难题。本文介绍了风电系统和变流器。主要讲述变流器的调制方法和控制方法。最后，我进行了仿真实验，对相应的技术问题有了进一步的理解。

关键词：风力发电；变流器；拓扑结构；控制理论

Simulation study of grid-side converter for wind power generation

abstract

With the world's attention to environmental protection and the tense situation of global energy supply, people have focused on clean energy. As a result, photovoltaic power generation and wind power generation technology stand out. Wind power generation technology is an important part of clean energy development. The core technology of wind turbine is converter. This paper introduces the realistic background and significance of wind power generation, and describes the current situation at home and abroad, as well as the current technical problems. This paper introduces the wind power system and converter. This paper mainly describes the modulation method and control method of the converter. Finally, I carried out a simulation experiment to further understand the corresponding technical problems.

Key words: wind power generation; converter; topology; control theory

目录

第一章 引 言 1

1.1 风力发电研究背景与意义 1

1.2 国内外发展现状 1

第二章 风力发电系统和变流器 2

2.1 风力发电系统 2

2.2 变流器的拓扑结构 2

2.3 本章小结 4

第三章 PWM变流器的调制方法 5

3.1 SPWM 调制的基本原理和实现方式 5

3.2 SVPWM的调制原理 6

3.3 PWM调制方法的比较 6

3.4 PWM调制方法的模型 6

3.5 本章小结 7

第四章 风力发电系统变流器的控制方法 8

4.1 电网侧变流器的基本工作原理 8

4.2 电网侧变流器的数学模型 9

4.3 本章小结 11

第五章 风力发电系统仿真 12

5.1 变流器的仿真 12

5.2 控制策略的仿真 13

5.3 风力发电系统的仿真 15

5.4 本章小结 16

第六章 结 论 17

致谢 18

参考文献 19

第一章 引 言

1.1 风力发电研究背景与意义

随着全球不可再生能源的减少，我们对于能源的需求也越来越大。虽然能源技术在进步，供应量也在提升，但有时也变得难以为继。我们都知道，二次能源是不可再生的，随着资源的开采与枯竭，我们迫切需要找到一些无污染、可再生的替代能源。风能、光伏发电等清洁性可再生能源使得人们广泛关注。相比较于光伏发电和生物质能等方式发电，风力发电成本比较低，技术也日益成熟，具有大规模并网的优势。再加上风力发电对环境影响较小，因此受到全球各地的广泛关注。

1.2 国内外发展现状

随着风力发电在电力系统中的占有量增加，再加上风力发电系统高效、稳定、经济、安全运行的特点，它成为人们关注的焦点，并且在世界各地风力发电装机容量大幅增加。风力发电是发展最快的发电能源，它也被证明是对环境影响最小的潜在发电源。截至2010年底，全球风电装机容量超过194.4千瓦，比2006年的装机容量高出35.8千兆瓦。
自2005年可再生能源法出台以来，我国利用可再生能源发电变得突飞猛进。在此之后，中国新安装的风力发电能力每年大约增加了一倍。风电被认为是全球潜在的清洁能源，清洁能源战略的现行政策支持将风能发电作为实现低碳目标的主要能源技术。与五个最大的风力发电国家相比，中国的风力发电能力与美国相当，远远高于印度、德国和西班牙。从目前我国风能开发情况来看，我国只发展了约有百分之二的风力资源，加上我国丰富的海上风能，由此看出我国有很大的发展潜力。我国发展风力发电和整体风电分配格局大致为：风能资源主要是来自太平洋沿岸的北部、东北部、西北和东部地区。它包括河北、内蒙古西部、吉林、江苏沿海地区、甘肃酒泉和新疆哈密七大风能基地。每年平均风力发电强度在150 W/m以上。并且还有可高达300 W/m在其他地区，如内蒙古西部，年生产时间约为6000小时。因此，我国风电发展具有规模大、集中、支持远距离输送的特点。所以，我们国家风力发电的占有量越来越高。
1.3 现阶段问题

目前，永磁直驱式风同步发电机（D-PMSG）在我国风电机组的占有率越来越高。在2009年，我国新增的大型风力发电机组中，该机组的市场份超过17%。虽然这种机组的使用率大大提高，但是目前也有比较多的难题困扰着我们，我们正在努力克服相应的难题。在条件恶劣的并网技术，我们有所研究，但是，为了保证运行可靠性，我们对变流器在不平衡并网条件下的控制策略需要进一步研究。变流器是风流发电系统的重要组成部分，对变流器的拓扑结构也是我们研究的方向之一。这些拓扑结构分别具有一定的研究意义，也是我们未来的研究方向。

第二章 风力发电系统和变流器

2.1 风力发电系统

世界各国都在对风力发电技术进行研发和进步，我国在这方面也不甘落后。刚开始，我国在这方面的研究刚刚兴起，所以风力发电机和电网之间的联系比较薄弱。所以，我们要求风力发电机可以在电网崩溃时可以持续运行，面对电力系统的故障具有一定的抵抗能力。现如今，我国研究的大型风力发电技术被认为是最具影响力，和最具有发展前景的风电系统。双馈异步发电机系统在之前使用较多，这是因为它的结构比较简单在较大的风速波动中进行机械能和电能的转换。双馈风力机采用绕转子结构，它的滑轮将电流输送到流出的转子绕组，通过控制电压驱动转子来控制频率。电压可控是双馈异步发电机系统提供变速能力的关键。转子绕组通过采用IGBT的交-直-交流的变换，将得到的电能馈入到电网中。由于电网不直接联系转子的输出，所以电网的频率不影响发电机。但是，这种系统必须有齿轮箱和风机相连，从而使得能量的转换效率大大降低，而且使得系统的容错率也变低了。双馈式发电机有两种发电方式：（1）发电机定子，如果发电机以高于同步的速度运行（2）电压源转换器，如果发电机工作在低于同步速度。另一方面，系统对于电网故障的抵抗能力也较弱，这是因为该系统的变流器容量比较小，因此，我们也要对该系统采取相应的保护措施。
直驱型永磁同步发电机（D-PMSG）系统在现如今的风力系统中越来越重要，这是因为它的两个特点：（1）它具有较高的能量转换效率（2）直接驱动，并且可以在恶劣环境中平稳运行。永磁发电机可以使用换向器或者滑环将电源从线圈传输到输出端子，提供我们直流或者交流电流。该电机可以适用于不同的风力机，但要确保频率和电网相匹配，否则会产生不同的输出频率，从而导致电网出现系统故障。永磁直驱式同步发电机采用全功率变流器，它在一定程度上提高了电力系统运行的可靠性和稳定性。
通过二者不同状况的对比，以及系统性能的比较，本文因为直驱型永磁同步发电机可以确保有功功率和无功功率的可控性。再加上它在一定程度上提高了能量间的转换效率。因此，我们在这里将对永磁直驱风力电机进一步进行研究。

2.2 变流器的拓扑结构

众所周知，风力发电系统的重要组成部分是变流器。它的组成结构也是我们研究的主要方向。变流器可以将发电机输送的电能馈入到电网中。它是有两部分别组成，它的机侧是将电机定子的三相交流电转变为直流电，实现了电机侧的整流。电网侧的变流器再将直流电转变为三相交流电输送到电网中，这样就可以实现全功率风电机组的可靠并网运行¹。在这里，本文将对变流器的结构进一步研究。
（1） 电机侧采用不控整流，电网侧采用PWM逆变，如图2-1所示。

图2.1 电机侧采用不控整流，电网侧采用PWM逆变

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