摘 要

风能是清洁的可再生能源，风力发电也是新能源中技术比较成熟、最具开发规模条件和商业化发展前景的发电方式之一。全功率风力发电机因其风能利用率高、可靠性好、并网控制灵活等优点，已成为继双馈异步风力发电机组之后风力发电技术的研究与发展方向在风力发电系统中得到了越来越广泛的应用。本文以全功率风力发电系统中的并网变流器作为研究平台，对网侧变流器的控制策略进行了研究，并给出了仿真和实验结果，对控制策略进行了验证。

首先，本文介绍了全功率风机并网变流器的工作原理，在此基础上论述了风力发电机组的并网控制技术。

其次，建立全功率风机PWM整流器在静止和旋转坐标系下的数学模型，研究全功率风电系统并网变流器的控制策略，其网侧采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。

最后，利用 Matlab/Simulink/SimPowerSystems 工具箱，搭建了并网变换器及其控制系统的仿真平台。其中，分别对电压环和电流环进行建模与仿真分析。

通过理论分析、仿真与实验，验证了研究内容的正确性、有效性，为后续研究打下了理论与实践基础。

关键词：风力发电；全功率变流器；电流内环控制；电压外环控制；并网控制

Abstract

Wind power is clean， renewable energy， of course， it is the new energy technology is relatively mature， one of the most developed commercial scale conditions and prospects for the development of power generation. Full-power wind turbines for its wind energy utilization， network control and flexibility， reliability， etc.， has become after double-fed induction wind turbine research and development direction of the wind power generation technology has been increasingly in the wind power generation system the more widely used. Taking full power of the wind power generation system and network converter as a research platform for network-side converter control strategies were studied， and the simulation and experimental results， the control strategy is verified.

First， the article describes the full power fan grid converter works on this basis discusses wind turbines and network control technology.

Secondly， the establishment of full-power fan PWM Rectifier mathematical model in the stationary and rotating coordinate system， study full power wind power system and network converter control strategy， its network-side voltage dual-loop control strategy outer， inner current loop.

Finally， the use of Matlab / Simulink / SimPowerSystems toolbox， simulation platform and build a network converter and its control system. Wherein each voltage loop and current loop modeling and simulation.

Through theoretical analysis， simulation and experiments to verify the correctness of contents， validity， for subsequent research laid the theory and practice.

Keywords: Wind power; Full power converter; Current inner loop control; 0uter voltage control; And network control

目录

1 绪论 1

1.1. 课题背景 1

1.2. 风力发电系统的研究现状 1

1.3. 国内外风力发展现状 3

1.4. 本课题的主要研究内容 4

2 全功率风机并网变换器的工作原理 6

2.1. 并网变换器主电路 6

2.2. 并网变流器工作原理 6

2.3. 参考坐标系变换 7

2.3.1.Clarke 变换 7

2.3.2.Park变换 10

3全功率风机并网变换器的控制与分析 12

3.1. 并网变换器的数学模型 12

3.1.1.静止坐标系下的数学模型 12

3.1.2.旋转坐标系下的数学模型 13

3.2. 并网变换器的控制策略 14

4全功率风电系统的仿真 23

4.1.PMWG仿真模型 23

4.2.电流环响应特性 23

4.3.电压环响应特性 24

5总结 25

5.1. 小结 25

5.2. 展望 25

参考文献 27

致谢 29

绪论

• 1. 课题背景

人类生命的生存离不开能源，能源是一切物质生存的物质基础，世界经济的发展也跟随着时代能源结构的演变而不断进步。在当今能源供应中，化石燃料仍然占据了较大的比例，其包含了煤炭、石油、天然气等，都是不可再生资源，其对环境破坏极大，且现在化石燃料正严重短缺，面临枯竭^[1]。因此，全球正趋向于发展如风能、太阳能、生物能等可再生能源，来应对能源短缺问题。

风能是地球表面空气流动产生的动能，由于地球表面各个地方，受到不同的太阳辐射后有着明显的气温变化从而形成了各地气压的不同，在一个水平方向气压由高空往低空流动，于是就形成了风。据统计，全球的风能资源共有4.3×l0⁹ MW，其中可供使用的风能大约为2×l0⁷ MW，这已经是全球能源需求总量的15倍以上了^[2]。目前中国的能源发展较快，风能更是其中之一。

风能与其他能源相比较，是具有很多显著的优势的。首先，它是清洁的能源来源，更是环保，洁净又可再生的能源。现在的风力发电系统已经逐步完善，生产成本已经大幅度的降低，相比其它发电机已经有了不少优势。且风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态，因此风力发电也是目前为止最为成熟、经济的可再生能源发电技术。据统计，世界上大约有3.5×10¹²kw的隐藏着的风能有待于被挖掘开发利用，这个资源价值远远超过了世界上可以利用的水能，约为它的10倍。风取之不尽，用之不竭，在不会对环境造成负面压力的同时，也不存在资源衰竭问题。