直驱式永磁同步风力发电系统的控制研究

风能作为一种可再生能源越来越受到人们广泛的重视,其中变速恒频风力发电是现代风力发电中的一个发展趋势。而在变速恒频风力发电中,又向着直驱化方向发展,但直驱风力发电机产生的电能存在着电压幅值和频率随风速变化、功率不稳定等诸多问题。 为解决上述问题,本文对直驱式变速恒频风力发电领域的关键技术从理论到仿真进行了较为全面深入的研究,在详细分析直驱式风力发电系统的特点和已有最大功率跟踪算法的基础上,确立了由梯形波永磁同步发电机、三相不可控整流桥、直流升压电路、全桥逆变器构成的并网主电路拓扑结构,提出了通过控制直流升压电路的占空比,以使风机获得最大功率的跟踪算法,同时增加速度估算控制方法,以提高系统的响应速度。 由直流升压电路中储能大电感的存在,迫使发电机的各相电流为梯形波,为了发电机输出功率平稳,减小系统的转矩脉动,则发电机的电动势最好是梯形波。梯形波永磁同步发电机发出的三相电压为梯形波,通过整流桥整流之后,获得脉动较小的整流直流电压,特别适合于大电感滤波,同时电磁转矩脉动小,系统振动噪声低。该电机可以和风力机直接耦合,适用于大型低速风力发电系统。三相不可控整流具有可靠性高,简化硬件电路;直流变换电路可将整流后的直流电压提升到逆变器所需的幅值基本恒定的直流电压,经逆变器逆变后并网。最大功率跟踪算法的提出能够使风电系统快速跟踪风速的变化,维持最佳叶尖速比,捕获最大风能。 本文还利用仿真软件MATLAB/Simulink平台搭建了仿真模块并进行了动态仿真,对所设计的最大功率跟踪算法进行仿真分析。结果表明,该算法具有较快的系统响应,速度估算器也能较快的跟踪变化的实际转速。