永磁同步风力发电机矢量控制DOC文档格式.docx

1、二O一四年六月Graduation Design（Thesis） of Chongqing UniversityControl Strategy and Simulation of Permanent Magnet Synchronous wind GeneratorUndergraduate: Cao jiyuanSupervisor: Prof. Yao Jun Major: Electrical Engineering and AutomationSchool of Electrical Engineering Chongqing UniversityJune 2014摘 要近年来，科技

2、的高速发展引起了化石能源的大量消耗，同时造成了环境的污染，可再生清洁能源的开发和利用，已经成了各个国家目前的重要任务。风力发电作为一种对生活中普遍存在的清洁可再生能源风能的有效利用方法，一直在以一个极高的速度发展。相比于双馈交流励磁风力发电系统，直驱永磁风力发电系统结构比较简单、运行可靠、发电效率较高。直驱永磁风力发电系统的控制包括机侧变换器控制和网侧变换器控制。发电机定子输出的用功功率的大小、电机的转矩脉冲和发电系统对风能的利用率都是由机侧变换器的控制策略来决定的。本文主要是对机侧变换器的矢量控制策略进行研究。其中包括了永磁同步电机的数学模型和相关的坐标变换，介绍了几种常用的永磁同步电机矢量

3、控制策略，并选取了id=0控制策略在MATLAB上进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。关键词：直驱永磁同步风力发电机，矢量控制，数学模型，建模ABSTRACTSince fewer and fewer non-renewable energy, the environment is increasingly being destroyed. Clean and renewable energy development are paid more attention by each country. Wind power as a method for the effective use of

4、renewable and clean energy is rapidly developed. Compared with the double-fed wind power AC excitation systems, direct-drive permanent magnet wind power system has a simple structure, reliable operation, high efficiency power generation. Direct-drive permanent magnet wind power system control, inclu

5、ding machine side converter control and grid side converter control. Machine side converter control strategy is directly related to the active power output of the generator stator, the motor torque ripple and utilization of wind power generation system.This paper focuses on the machine side converte

6、r control strategy. Including the mathematical model and the associated permanent magnet synchronous motor coordinate transformation introduced several common permanent magnet synchronous motor vector control strategies, and select the id=0 control strategy being simulated on MATLAB and analyze the

7、simulation results.Key words：Direct-drive permanent magnet synchronous wind generator, Vector Control, Mathematical Model, Modeling目 录中文摘要 ABSTRACT 1绪论 11.1 引言 1 1.1.1风力发电的意义 1 1.1.2 风力发电的研究现状 21.2 风力发电系统的研究现状 3 1.2.1变速恒频风力发电系统的研究现状 3 1.2.2直驱永磁同步风力发电系统的特点和研究现状 41.3 本文的主要内容 52永磁同步电机的数学模型和坐标变换 62.1 永磁

8、同步电机在静止三相坐标轴系下的数学模型 62.2 坐标变换 8 2.2.1静止三相坐标轴系到静止两相坐标轴系的相变换（3s/2s变换） 8 2.2.2静止两相坐标轴系到旋转两相坐标轴系的整流子变换 92.3 小结 103永磁同步电机控制策略 113.1 几种常用的永磁同步电机矢量控制策略 113.2 PWM脉宽调制技术简介 113.3 id=0控制方式 13 3.3.1 控制原理 13 3.3.2 控制方程 14 3.3.3 控制过程 143.4 小结 154 永磁同步电机矢量控制的仿真建模 164.1 模型建立 164.2 模型说明 17 4.2.1 永磁同步电机模型 17 4.2.2 坐标

9、变换 17 4.2.3 解耦模块 18 4.2.4 SPWM模块 18 4.2.5 功率检测模块 194.3 小结 195 仿真结果及其分析 205.1 稳态时的仿真结果 205.2动态时的仿真结果 235.3 小结 256 结论 26致谢 27参考文献 281 绪论 1.1引言1.1.1风力发电的意义 5-6近年来，工业在高速地发展，在这过程中，对能源的需求也越来越多，因此，人类不断地对那些深埋在地壳深处的化石能源进行无节制的开采和使用。这对我们生活的环境造成了极大的破坏，并且使得这些珍贵的资源变得越来越少。根据专家的预测，地球上所有的煤炭大概还可以开采利用221年，石油还可以开采利用39年

10、，天然气还可以开采利用60年。人类不能仅仅着眼于现在，更需要考虑若干年后，当化石能源全面枯竭后，用什么来代替这些自然的恩赐。所以，对可再生清洁能源的开发和利用迫在眉睫。中国的能源危机形势在世界来说已经相当的严峻。据报道，中国已探明的煤炭储量人均值仅为世界人均值的51%左右，已探明的石油储量仅为世界人均值的11%，天然气储量仅为世界人均值的3.78%左右。对于已经成型的商品能量消费量，中国的人均值为世界人均值的55%，为发达国家人均值的17%。由此可知，中国正处于一个非常严峻的能源危机之中。电能是所有能源中消耗最多的，是一种二次能源，即需要其他的能源通过转化获得。火力发电是目前电能的主要来源。火

11、力发电即是通过燃烧煤、重油等燃料，产生大量的热能，然后将这些热能转化为电能。在这个过程中，会产生各种有害气体及烟尘，对大气造成极大的污染。由于这些有害气体中包含二氧化硫，所以会形成酸雨，对农作物、森林树木、各种建筑物和金属材料构成危害和腐蚀，造成严重的浪费。这些有害气体中还包含二氧化碳，过多的二氧化碳排放到空气中之后会形成温室效应，这会改变局部气候，造成各种自然灾害。目前，中国的能源消耗量可以在全世界排到第二。在能源消耗的过程中排放的二氧化碳量达到了温室气体总排放量的80%。在全世界，中国的温室气体排放量大概占了总量的13%，也是在全世界排名第二，仅有美国多于中国。国际能源组织估计大约在203

12、0年左右，中国的二氧化碳排放量就将超过美国，达到世界第一。由于能源消耗量的增加排放了更多的温室气体，使得温室效应的加剧引起了全球的瞩目。从中国的国情和社会的发展来看，可持续清洁能源的开发和利用是现阶段能源研发的重中之重。可再生的清洁能源包括太阳能、水能、风能等非化石能源。这些能源逐渐成为人们研究的热点。风能是由于地球表面受到不均匀的太阳光照射，导致了大气的相对运动而形成的。它是由太阳能转换而来，风能无穷无尽。中国的领土处在北半球中纬度上，地大物博，海岸线比较长，拥有非常丰富的风力资源。根据初步的估算，我国全国的平均风能密度为100W/m2，风能的总量为10亿kW，其中陆地上的风能储存量大约为2

13、.53亿kW，在海上可以开发和利用的风能储量大约为7.5亿kW。我国的风力资源主要分布在东南海沿岸以及其附近岛屿，内蒙和甘肃河西走廊，以及东北，西北，华西和青藏高原等部分地区。这些地区的风能密度的有效值在150W以上，每年风速在3m/s以上的时间有4000小时，有些地区的平均风速达到了67m/s以上。所以，我国拥有非常丰富的风力资源，这些风力资源 分布在全国各个地区，值得我进行大规模的开发利用。风力资源的开发和利用为解决我国的能源危机提供了十分有利的条件。1.1.2 风力发电的发展状况7-10有些国家很早就开始了对风力发电的研究，最早的是在第一次世界大战之后就开始了。风力发电发展较快的时期是在

14、上世纪七八十年代。美国是世界上最发达的国家之一，美国非常重视环境保护和能源的保护，美国是世界上最早开始重视风力发电的国家之一。其在1994年的时候风力发电机装机容量达到了16.2MW，在当时，占了全球风力发电机总装机容量的53%。到了1997年，美国风电机总装机容量达到了1612MW。到了2000年，美国已经实现大规模的风力发电，已经有了40亿美元的风机产业。预计2050年，美国风力发电量将占全国总发电量的10%左右。风力发电在欧洲得到了快速的发展，特别是在丹麦和德国。丹麦拥有世界上最先进的风力发电技术，并且是风电机的主要生产国之一。早在1978年丹麦就成立了风电试验站，这促进了风电的发展和风

15、力发电机的发展。德国目前的风电总装机容量占了全欧洲的50%，风力发电机占了德国电机的2.5%，并且德国计划在近几年内将这个比例提高到3.5%。中国由于起步较晚，虽然风力资源比较丰富，但是还远远没有发展起来。在1998年底，我国的风力发电机组总装机容量仅为223.5MW，1999年底仅为263.3MW，而到了2003年底也仅为567MW，由此可看出中国风力发电一直是以一个较慢的速度在发展。这是由于我国对风力发电各项技术的研究都还处于起步阶段，所以我国大部分风力发电机组都是从外国进口的。由于维护和生产的原因，导致我国风力发电成本较高，所以，实现风力发电机组的国产化是推动我国风力发电发展的根本途径。在过去的5年的时间里面，风力发电受到了世界各国的关注，以一个超越了专家预测的速度在高速发展着，是增长得最快的能源。2011年上半年，世界各国风电产业增长迅速，达到了新的高度。截至到2011年6月底，全球范围内新增的风电装机容量有1840万kW，而总的风电装机容量更是达到了2亿kW。其中，新增装机容量排在前五位的国家分别为中国、美国、印度、德国和加拿大，新增装机容量分别为800万kW、22