并网型交流励磁双馈电机风力发电系统研究

论文摘要

从可持续发展的观点看,化石能源终将耗竭,充分开发和利用可替代清洁能源是解决能源和环境问题的必然选择。风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁可替代能源,风力发电作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术,已成为全球发展最快的可再生能源。并网运行的风力发电由于可以得到大电网的补偿和支撑,成为风力发电的主流。双馈式风力发电机具有变速运行、有功无功可解耦控制、降低机械应力和噪声、提高电能质量、转差功率小（约为额定值的30%）等优点成为工业应用最广泛的变速恒频风力发电机型。本文以交流励磁变速恒频双馈电机风力发电系统作为研究对象,对其进行了必要的运行原理分析、控制策略实现、系统建模以及风电场并网仿真,主要研究内容包括以下几个方面:1、介绍交流励磁变速恒频双馈电机运行的基本原理后,对功率不变和绕组匝数不变约束条件下的坐标变换特点及应用进行了说明,详细推导了三相静止坐标系上交流励磁双馈电机的数学模型,以及两相同步旋转参考坐标系下交流励磁双馈电机在发电机惯例和电动机惯例下的动态模型。对从事双馈电机的仿真和建模研究者提供了一定的理论参考依据。2、在研究风力机风功率捕获、传递和最大风能追踪控制算法的基础上,建立风力机系统仿真模型,针对850kw的变速恒频双馈风力发电系统在转速变化时的响应特性进行了仿真研究。研究结果表明风机可实现最大风能追踪控制且风力机动态响应性较好。3、交流励磁变速恒频双馈电机风力发电系统并网前后双馈电机的运行状态和控制策略有所不同,并网前空载运行,实施并网控制策略;并网后发电运行,实施最大风能追踪控制策略。变速恒频双馈电机风力发电是一个受并网前后发电机运行状况影响的暂态过程,利用MATLAB的S-Function编写DFIG的仿真程序,然后结合Simulink和SimPowerSystems工具箱,开发了基于S-Function的空载运行和发电运行的变速恒频双馈电机风力发电子系统模型,在仿真过程中可对双馈电机进行精确控制,然后对其进行了系统整合,本文开发的模型具有可移植性,只要再设计相应的控制器,就可应用于不同功率等级的双馈电机风力发电系统。不同运行工况下的仿真结果验证了系统模型的有效性。4、对比研究了电流内环和转速外环采用常规PI控制器、内模控制器以及只有转速环节采用模糊控制器的系统主要参数仿真结果。研究结果验证了转子侧变流器在超同步速时以单位功率因数运行于整流状态,在亚同步速时以单位功率因数运行于逆变状态,改变无功给定时可处于非单位功率因数运行状态。仿真结果验证了三种控制策略均可实现有功、无功功率的解耦控制及交流励磁变速恒频运行,相比而言模糊控制具有更好的控制性能。5、本文在对比研究风电并网系统网侧变换器和并联型电能质量控制器的电路拓扑结构、系统功能、能量流动关系、控制方法的基础上,尝试在不改变系统电路拓扑结构的基础上提出了将网侧变换器进行基于并网发电与谐波抑制和无功功率补偿相结合的统一协调控制方案,建立了7.5 kw变速恒频DFIG风力发电系统和并联型电能质量控制器统一协调控制仿真系统,验证了控制策略的可行性。6、随着风电场容量的不断增大,其并网冲击电流已不容忽视,必须对并网风电场进行深入研究。在电力系统分析中,常常用标么值系统来规格化系统量,可减小计算量且使计算简单,同时更加容易理解系统特性。本文详细推导了双馈电机的完备标么值方程,并在此基础上结合具体风电场并网算例参数,设计了仿真试验系统,应用MATLAB/SimPowerSystems对含5台2MW DFIG风力发电场接入电力系统运行进行了系统建模,并深入分析了转速变化、电压跌落、单相和三相短路故障工况的动态仿真结果。本文的研究工作对并网型交流励磁变速恒频DFIG风力发电系统的分析、建模与控制具有现实指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、科学意义和来源
• 1.2 国内外风力发电的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外风力发电概况
• 1.2.2 国内风力发电概况
• 1.3 变速恒频风力发电技术
• 1.3.1 异步发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.2 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.3 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.4 永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.5 开关磁阻发电机变速恒频风力发电系统
• 1.4 交流励磁双馈电机的研究现状
• 1.4.1 主电路拓扑结构分析
• 1.4.2 控制策略研究
• 1.5 大型风力发电并网技术的研究现状
• 1.5.1 变速恒频双馈风力发电并网技术
• 1.5.2 风电并网静态电压稳定性研究
• 1.5.3 风电并网暂态电压稳定性研究
• 1.5.4 风电并网电网频率稳定性研究
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 交流励磁双馈电机基本理论
• 2.1 交流励磁双馈发电机运行的基本概念
• 2.2 交流励磁双馈发电机的电磁关系
• 2.3 交流励磁双馈发电机的数学模型
• 2.3.1 功率不变约束条件下的坐标变换
• 2.3.2 绕组匝数不变约束条件下的坐标变换
• 2.3.3 三相静止坐标系上交流励磁电机的多变量数学模型
• 2.3.4 两相同步旋转参考坐标系下交流励磁发电机动态模型（Kron 方程）
• 第三章 风力机基础理论与最大风能追踪控制
• 3.1 风能捕获与传递
• 3.2 风力机传动链的仿真建模
• 3.3 风力机的最大风能追踪控制
• 3.3.1 功率控制的最大风能追踪过程
• 3.3.2 最大风能追踪控制算法
• 3.4 风力机的仿真结果
• 3.4.1 风机在不同发电机转差率下的仿真分析
• 3.4.2 风机在不同风速变化曲线下的仿真分析
• 第四章 并网型DFIG 风力发电系统仿真研究
• 4.1 双馈电机风力发电系统并网方式概述
• 4.1.1 空载并网
• 4.1.2 带独立负载并网
• 4.2 空载运行控制策略
• 4.3 发电运行控制策略
• 4.4 基于S 函数的并网型变速恒频DFIG 风力发电系统建模
• 4.4.1 空载运行模型的建立
• 4.4.2 发电运行模型的建立
• 4.4.3 交流励磁VSCF DFIG 风力发电系统建模
• 4.5 仿真结果分析
• 4.5.1 交流励磁变速恒频DFIG 在转速突变时系统仿真分析
• 4.5.2 交流励磁变速恒频DFIG 在电网电压跌落时系统仿真分析
• 第五章 DFIG 转子侧控制策略对比研究
• 5.1 转子侧变换器PI 调节器设计
• 5.1.1 电流环PI 调节器设计
• 5.1.2 转速环PI 调节器设计
• 5.2 转子侧变换器内模控制器设计
• 5.2.1 内模控制在电流环的应用
• 5.2.2 内模控制在转速环的应用
• 5.3 转子侧变换器模糊控制器设计
• 5.4 不同控制策略下仿真研究
• 第六章 DFIG 网侧并网与电能质量控制协调控制
• 6.1 网侧变换器的控制－电网电压定向矢量控制
• 6.2 空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）控制原理
• 6.3 并联型电能质量控制器与风电并网协调控制原理
• 6.3.1 并联型电能质量控制器工作原理
• 6.3.2 统一协调控制
• 6.4 并联型电能质量控制器的谐波检测电路
• 6.4.1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测电路
• 6.4.2 多层前馈神经网络在电力系统谐波检测中的应用
• 6.4.3 小波变换在电力系统谐波检测中的应用
• 6.5 风电并网与并联型电能质量控制器协调控制仿真结果
• 第七章 双馈电机风电场并网仿真研究
• 7.1 风电场接入系统的稳定性分析
• 7.1.1 风电系统的频率稳定性
• 7.1.2 风电系统的电压稳定性
• 7.2 双馈电机的标么值方程
• 7.3 具体风电场并网算例介绍
• 7.4 风电场并网仿真研究
• 7.4.1 风速突升时风电场并网仿真结果
• 7.4.2 电网电压跌落时时风电场并网仿真结果
• 7.4.3 单相接地故障时风电场并网仿真结果
• 7.4.4 三相短路故障时风电场并网仿真结果
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间取得的科研成果
• 1. 作者攻读博士学位期间撰写的学术论文列表
• 2. 作者攻读博士学位期间主持或参加的科研项目列表
• 附录
• 1. 空载运行实施并网控制S 函数优化代码
• 2. 发电运行最大风能追踪控制S 函数优化代码
• 3. 转矩运动控制方程S 函数代码