小型直驱式永磁风力发电系统MPPT控制策略的研究.doc

摘要：随着环境污染问题的日益严重和不可再生能源的大量减少，我们有必要充分寻找洁净的可重复利用的能源。风电以其清洁、运营成本低的优势，已成为能源行业的重点领域；在已知的风力涡轮发电机组中，由于永磁直驱风力发电机由于具有低损耗、高运行效率和低维护成本等优点而引起广泛关注。本文主要研究两方面的内容，一是直驱式风力发电系统，二是最大功率跟踪(MPPT)的研究及应用。

首先，本文介绍了风力发电的技术理论和国内外的发展状况，并给出了直驱式永磁风力发电系统的结构。简述了风力发电的理论基础，坐标变换基本原理，永磁同步发电机的数学模型，所使用斩波电路的原理及特点和常用的最大功率跟踪算法的原理。之后，基于上述理论知识，构建出风力速度、风力发电机系统和永磁同步发电机的模块。采用三相不可控整流+三重Boost+逆变器结构的电路，并且使用爬山搜索法进行最大功率追踪，并在其基础上改进了爬山搜索法。最后，搭建了小型直驱式永磁风力发电系统MPPT控制仿真模型以及组合风速仿真模型，仿真输出了风力机的特性曲线和组合风速曲线。从最大功率仿真图分析了功率跟踪的效果，并将传统的爬山算法替代为改进的变步长爬山算法，仿真实验结果验证了修改后的的变化步长跟踪控制方式具有最大功率曲线波动更小，追踪速度更快。

关键词：风电，永磁同步发电机，最大功率跟踪，爬山搜索法

目 录

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论1

1.1课题背景1

1.1.1 风力发电系统的发展状况1

1.1.2 风力发电系统的主要类型3

1.1.3 风力发电的优劣势及发展趋势5

1.2研究意义与内容5

第二章 直驱式永磁同步风力发电系统7

2.1 风力发电的理论基础7

2.1.1 风能的计算7

2.1.2 贝兹理论的介绍7

2.1.3 风力机输出的实际功率8

2.1.4 风速模型研究9

2.2永磁同步发电机的数学模型10

2.2.1 永磁同步发电机的介绍10

2.2.2三相静止坐标系下永磁同步发电机的数学模型10

其三相静止坐标系向量图如图2-3所示：10

2.3直驱式风力发电系统完整的拓扑结构12

2.4 基于BOOST电路中输出功率和占空比的关系13

2.5 主电路的设计15

2.5.1 拓扑结构选取15

2.5.2 参数设计16

第三章 最大功率跟踪方法研究17

3.1 常见的最大功率跟踪方法17

3.2 叶尖速比法17

3.3 功率信号反馈法17

3.4 爬山搜索法18

3.5 变步长爬山搜索法20

3.6 改进后的变步长爬山搜索法20

第四章 直驱式永磁风力发电系统的MPPT的建模和仿真22

4.1 仿真模型的搭建22

4.1.1 风速模型的建立和仿真22

4.1.2 风轮机模型22

4.1.3永磁同步风力发电系统模型23

4.1.4升压斩波电路的仿真模型24

4.1.5 传统爬山法模型24

4.1.6变步长爬山法模型25

4.1.7改进后的变步长爬山法模型26

4.2  系统仿真模型的建立26

4.3  仿真结果分析27

4.3.1 风速模型仿真结果分析27

4.3.2 突变风传统爬山法仿真结果分析27

4.3.4 改进后的变步长爬山法模型仿真结果分析30

第五章 总结和展望33

5.1  全文总结33

5.2  工作展望33

参考文献35

致谢36