永磁同步风力发电机的矩阵变换器控制系统研究

近年来,全球的气候变化及环境问题日益威胁着人类的生存环境,风能作为当今最具前景的新能源之一,越来越得到世界各国重视。永磁同步风力发电机由于无电刷,取消了增速机构,结构简单及运行可靠等优点,在风力发电领域具有巨大的应用前景。 矩阵变换器是一种新型且具有优良输入输出特性的交-交直接型变换装置,相对于传统的交流变换装置有其突出的性能：中间没有大容量的直流储能器件；能量双向流通,可实现四象限运行；具有输入输出波形为正弦；输入功率因数能够自由调节等。随着电力电子变换装置器件的制造技术不断成熟和研究方法的深入,矩阵变换器将在能源、交流变频调速及电气传动领域中产生深远的影响。论文主要内容如下： 介绍了课题的研究背景意义和研究内容；阐述了永磁同步风力发电机与矩阵变换器的优势及其技术发展背景,对矩阵变换器中使用的开关功率器件进行了选择对比分析。 从矩阵变换器的电路拓扑结构、开关功率器件的四步换流技术及其系统的空间矢量调制策略方面进行了理论推导与分析研究,通过构建矩阵变换器数学函数,推导得出其在空间矢量调制策略下,虚拟整流与逆变的开关组合函数,建立了矩阵变换器的数学仿真模型,应用MATLAB软件对矩阵变换器系统在电压幅值调节、频率变换和能量回馈方面进行了仿真研究,仿真结果证明了其优良的输入输出性能。 阐述了永磁同步风力发电机的控制结构原理和工作参数特性,建立了永磁同步风力发电机在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型；运用永磁同步发电机矢量控制理论,建立永磁同步风力发电机基于转子永磁体磁链定向的数学模型。在前面所述的基础上,构建矩阵变换器与永磁同步风力发电机二者相结合的控制系统,搭建了其仿真模型,仿真验证了在发电状态下的运行效果,完成了有功功率和无功功率的解耦控制,实现了系统的稳定运行。仿真结果证明,构建的矩阵变换器与永磁同步风力发电系统其性能良好,该系统是正确和可行的。 采用DSP芯片为主控制和CPLD芯片为辅助控制构建了矩阵变换器控制系统,设计了矩阵变换器系统的硬件结构及软件程序流程,包括系统主电路、外围硬件电路、控制电路及软件设计流程等,为矩阵变换器系统在永磁同步风力发电系统控制中的工程应用及深入的研究,做了一些必要的基础性理论研究。