基于直接功率控制的永磁直驱风电变流系统研究

风能是目前最重要的清洁能源之一，具有取之不尽、用之不竭、无污染的优点，近些年来随着能源的短缺而倍受关注。同时，风电场的建设周期较传统电场短，运行成本低，自动化程度高，维护量少，所以，风力发电技术是当前最有前景的绿色能源之一。永磁直驱式风力发电系统，因其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有的优势正受到越来越多的关注，已经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。本文以永磁直驱式风电变流系统为主要研究对象，对直驱风电系统组成的各个部分进行了详细的理论推导和数学建模，并提出网侧和机侧直接功率控制策略。 首先，介绍了风力发电的发展现状和风力发电控制技术的研究现状，简述了永磁直驱风力发电机组的拓朴结构及现有控制策略，从风能的计算出发，研究了风力机的特性，介绍了永磁直驱风力发电系统的组成，并分别对各个组成部分进行数学建模，包括永磁同步发电机、双PWM变流器及直流环节等。 其次，研究了永磁直驱风力发电系统的直接功率控制策略。首先对网侧变流器的直接功率控制方法进行理论推导和数学建模，并与传统的电网电压定向矢量控制进技术行了比较。网侧直接功率控制是在电网电压定向控制的基础上加入了瞬时功率理论的思想得到的一种新型的变流器控制方法，该控制方法舍去传统电网电压定向的电流环，直接采用功率环作为内环，并采用直流电压和开关函数直接估算网侧有功功率和无功功率，可舍弃电网电压传感器，减少成本和增加系统稳定性；由于无电流环减少了坐标变换的次数，进一步增强系统稳定性。后对机侧变流器的直接功率控制策略进行理论推导和数学建模，并与传统的永磁同步电机转子磁链定向矢量控制技术相比较，转子磁链定向控制在坐标变换和电机电磁转矩方程基础上，通过控制dq轴电流，实现转矩和磁场控制，直接功率控制直接由功率经过功率调节器的调节后给出变流器开关通断所需控制量，在控制过程中，没有电流环减少了坐标变换次数，简化了传统转子磁链定向矢量控制算法的复杂度，提高了系统的稳定性。 最后，对直接功率控制的永磁直驱风力发电系统进行了仿真验证，搭建了永磁直驱风力发电系统的模拟实验平台，对所提出的直接功率控制算法进行了实验分析，仿真和实验结果证明所提出控制策略的有效性。