新型风力发电系统的拓扑结构设计及仿真

论文摘要

作为一种绿色能源,风能近年来得到广泛关注,其产业发展迅猛。目前获得广泛应用的并网型风力发电系统多采用异步发电机,效率不高。并且由于必须采用升速齿轮箱,系统的可靠性不高。采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统,因为其具有效率高、制造方便、控制效果好的优点,逐渐成为人们研究的焦点.本文主要针对一种采用永磁直驱发电机的新型风力发电系统进行仿真研究。风电场是典型的分布式发电系统,在传统的风电场中,各台风力发电机组独立的发电、整流、逆变、并网,具有独立的变流系统和控制系统。当风速波动时,发电机的输出电压会随着风速的波动而波动,逆变器必须不断调整工作状态以适应这种波动,从而导致电能的转换效率降低。当电网中电压不稳定时,各台机组受负载变化的影响,输出电压也会变得不稳定。而且由于每台机组都必须有独立的控制系统,整个风电场的控制系统很复杂。根据大功率永磁同步发电机可以产生高电压的特点,采用了一种分布整流集中逆变的风电场结构。在各台发电机的输出端就地设置整流桥,将三相交流电转换成高压直流电。然后再将各台风力发电机并联,所有产生的电能统一进行逆变、并网。通过仿真实验证明这种结构可以有效降低风速波动对风电场输出电压的影响,并简化控制系统。在Matlab/Simulink中设计了由逆变器、滤波器和变压器组成的并网系统。并网时要求逆变器的输出电压满足准同期条件,于是采用锁相环获得电网的幅值、相位等信息,并根据这些信息产生相应的调制信号驱动逆变器工作。产生的三相交流电经过滤波、升压环节后并入电网。通过数十小时的仿真实验获得了实验中风力发电机模型在不同风速下的U-I特性曲线,并以此为依据建立了最大功率捕获算法。通过对一个由两台机组组成的风电场进行仿真实验验证了该控制方法的可行性,并由实验结果将该控制方法推广至多机组情况,提出一种对风电场进行扩展的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 风能的开发利用
• 1.1.1 发展风电的经济效益
• 1.1.2 发展风电的社会效益
• 1.2 风电的发展现状
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 风力发电机的工作原理
• 2.1 风力发电机组能量转换关系
• 2.2 风力发电机的恒速运行和变速运行
• 2.2.1 恒速恒频风力发电系统
• 2.2.2 变速恒频风力发电系统
• 2.2.3 变速风力发电机组的运行
• 2.3 本章小结
• 3 风力机建模
• 3.1 风力机的类型
• 3.2 风能的计算
• 3.3 风力机的特性系数
• 3.4 流场中的风轮
• 3.5 风力机建模
• 3.6 本章小结
• 4 发电机建模
• 4.1 风力发电所采用的发电机分类
• 4.1.1 笼型异步发电机
• 4.1.2 双馈变速恒频发电机
• 4.1.3 永磁同步发电机
• 4.2 永磁同步发电机建模
• 4.3 本章小结
• 5 直驱系统及风电场拓扑
• 5.1 直驱系统的优势
• 5.2 采用直驱系统的风电场的拓扑结构
• 5.3 本章小结
• 6 并网系统的设计
• 6.1 整流器建模
• 6.2 逆变器建模
• 6.2.1 SPWM逆变器的基本原理
• 6.2.2 控制器及参数设计
• 6.2.3 风电场中的逆变站
• 6.3 滤波器的设计
• 6.3.1 滤波器的种类和特性
• 6.3.2 归一化LPF设计法
• 6.3.3 三相滤波器的设计
• 6.4 变压器
• 6.5 本章小结
• 7 系统仿真
• 7.1 建立风电场模型
• 7.2 分布整流集中逆变结构的特性
• 7.3 最大功率追踪
• 7.3.1 两机组自由工作
• 7.3.2 两机组控制策略
• 7.3.3 多机组控制策略
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 公用电网谐波电压限值
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢