论文总字数：20741字

摘 要

能源日渐匮乏的现在，新能源的开发已经成为了全球迫在眉睫的问题。目前，风力发电技术已经较为成熟，拥有者较好的发展前景并且其基本无污染的发电方式已经成了各个国家发电方式的首要选择。其中，直驱式永磁同步风力发电机因为具有较好的稳定性、功耗低等优点已经成为了当前风力发电机的首选主流机型。直驱式风力发电系统主要采用对电压型变流器进行控制，达到对发电机输出的电流进行整流和逆变的目的。其中发电机的侧电压型变流器的任务是在捕获最大风力的前提下，将发电机的输出交流电整流信号成纹波系数较小的直流电进行输出。

本文的主要内容是对风力发电机侧变流器常用的物理拓扑结构进行介绍，以及当前风力发电机的发展情况进行了简要的说明，对常用的侧变流器的种类以及控制方式进行了讲解，本文主要的研究对象为直驱式永磁同步风力发电机侧控制系统，根据设计建立了相应的数学模型，在MATLAB以及仿真平台中对其进行了验证。

关键词：风力发电；直驱式永磁同步发电机；整流；SVPWM

Abstract

With the continuous increase of energy, the development of new energy has become an urgent problem in the world. At present, wind power technology is relatively mature, and the owner has a good development prospect and its basic pollution-free power generation mode has become the first choice for power generation in various countries. Among them, the direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine has become the preferred model of current wind turbines because of its low power consumption and good stability. The direct drive wind power generation system mainly controls the voltage type converter to achieve the purpose of rectifying and inverting the current output by the generator. The task of the side voltage type converter of the generator is to output the alternating current rectified signal of the generator into a direct current with a small ripple coefficient on the premise of capturing the maximum wind power.

The main content of this paper is to introduce the common physical topology of wind turbine side converters, and to explain the current development of wind turbines. The types and control methods of common side converters are explained. The main research object of this paper is the direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine side control system. The corresponding mathematical model is established according to the design, which is verified in MATLAB and simulation platform.

Keywords: wind power generation; direct drive permanent magnet synchronous generator; rectifier; SVPWM

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章绪论 1

1.1 风力发电的背景和意义 1

1.2 风力发电机变流器发展现状 1

1.3本文研究的主要内容 2

第二章风力发电机的结构原理和变流器的拓扑结构 3

2.1永磁同步发电机的结构和原理 3

2.1.1永磁同步发电机的结构 3

2.1.2永磁同步发电机的原理 3

2.2风力发电变流器拓扑结构分类 4

2.3风力发电变流器控制技术现状 6

2.3.1变流器控制技术现状 6

2.3.2变流器矢量控制和直接转矩控制策略 7

2.4本章小结 7

第三章风力发电系统变流器的数学模型及控制策路 8

3.1风力机的数学模型 8

3.2永磁式同步发电机的数学模型 8

3.3电机侧 PWM 变流器的数学模型 9

3.4控制策略 11

3.5 SVPWM 调制策略 11

3.6本章小结 13

第四章直驱式风电系统变流器仿真实验 14

4.1 风电变流器系统的仿真实验 14

4.2 仿真实验结果分析 15

4.3本章小结 16

总结 17

致谢 18

参考文献 19

第一章绪论

1.1 风力发电的背景和意义

随着全球经济迎来了新的台阶，人类的生活水平也随之水涨船高，导致人们对于能源的需求量越来越大。当前，石油、天然气等能源依然是人类主要的能源选择，但是这些能源都属于不可再生资源并且对于环境的污染非常严重，排放的温室气体越来越多，已经导致了全球变暖，为了防止全球进一步变暖，形成一个可持续发展稳定的社会，各国都加大了对可再生资源的研究力度。一直以来，我国选择的能源主要以煤炭为主，是目前全球对于煤炭消耗最多的国家。例如，2010年，我国煤炭能源的消耗就有百分之七十之多，而且我国以煤炭为主要的能源消耗结构以及人们对于能源需求的爆炸式增长，导致我国的污染排放指标一直居高不下。目前，我国排放的二氧化碳、二氧化硫等温室气体已经位居全球首位。随着我国综合国力的不断增强，我国的人均GDP也快速的增长，因此国际社会要求我国在环境保护上要承担更大的责任。在污染排放久居不下以及承担责任增大的双重压力下，提高对新能源的重视程度加快新能源的研究速度是解决我国目前面临的难题唯一解决方案。风能资源和其他可再生资源相比，其具有的无污染，高环保等特点让其成为代替煤炭成为我国主要能源的首选能源。风能资源还有开发利用简单，进行开发所需要投入的成本少等特点。建设地点对于环境要求较低，主要修建在无人居住区以及海岸，而且建设所需的时间短，不需要专门的人员对其进行维护，能够实现全自动化运行以及监控等特点，让其成为了未来最有开发价值的可在生能源，

常见利用风能的方式就是进行发电。风能是风力发电机的能量来源，其形成的原因是因为受到太阳光的照射让地球表面出现温差，从而产生气体的流动。对其的研究结果显示，全球大气中风能的蕴含量为1017KW，因为其具有可再生性的特点，也就是说有2x1010KW的能源能够被开发从而被利用。风能属于可再生资源，源源不断的在产生，所以不会存在消失的那一天。假如能够利用风能的1%，则可以减少3%的其他能源的消耗。将风能利用在发电上，每天产生的电能为全球所需的电能的8%~9%。尽管从构建风力发电系统的角度来看，在构建风力发电系统的安装、生产过程中会消耗一定量的化石能源，会对环境造成一定的影响，但是从风力发电系统的使用寿命以及其所做出的贡献来看，消耗的化石能源可谓是少之又少。风力发电系统有着较高的经济效益、环保效益，以及得到全国各个国家的重视。

1.2 风力发电机变流器发展现状

永磁发电机是机侧变流器主要的控制内容，其中常用的控制方式有矢量控制、直接转矩控制等方式。近年来，人们一直在研究对风能最大功率控制的研究，希冀能够提高对风能的利用率。目前得到的控制方法有三类叶尖速比法、爬山法等，其中在最大功率的控制上最为常用的控制方式为爬山法。

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