基于单片机的双馈风力发电控制系统的设计与研究

论文摘要

风能作为一种可再生的清洁能源具有广阔的利用前景。与传统的风力发电方式相比,变速恒频双馈风力发电技术具有能量利用效率高和发电质量好的优点。实际应用中双馈发电机的并网控制效果对于电网和发电机的安全运行具有重要的意义,而传统的并网方式已经不能满足双馈电机的并网要求。基于这一点,本课题在前人研究基础上,提出了双馈电机的新型空载并网励磁控制策略,并设计了双馈电机的准同期空载并网励磁控制器进行实验研究。文中对双馈风力发电励磁控制系统进行了比较全面的理论分析和实验研究。首先在分析风力机特性和双馈异步发电机的工作原理的基础上,运用矢量变换技术,通过坐标变换给出了双馈电机发电系统在两相静止坐标系下的数学模型和基于定子磁链定向的同步旋转坐标系下的动态数学模型。继而依据所建立的数学模型提出了对频率和幅值分别闭环PI调节的双馈电机的空载并网控制策略,使系统在风速变化时跟踪电网信息变化。然后分析研究了双馈电机的准同期并网控制策略,确立了微调频率调节机端电压相角的准同期并网控制方法。本课题搭建了双馈风力发电励磁控制系统的实验装置,并在此装置上进行了相关实验。在风速变化时,定子输出的感应电压幅值与频率通过PI自动调节达到与电网电压幅值、频率完全一致,并通过准同期并网控制方法,实现了发电机与电网之间的柔性连接,达到风机安全并网的控制要求。通过得出的实验结果分析,验证了控制策略的可行性,证明双馈发电机励磁控制器实验装置具有良好的调节性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的来源和研究意义
• 1.2 风力发电的国内外发展现状
• 1.2.1 风力发电的国外发展现状
• 1.2.2 我国风力发电的发展现状
• 1.3 风力发电技术的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 恒速恒频发电系统
• 1.3.2 变速恒频发电系统
• 1.3.3 风力发电技术的发展趋势
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 双馈发电机的基本原理和数学模型
• 2.1 风力机的能量转换和贝兹理论
• 2.1.1 风能的计算
• 2.1.2 贝兹理论
• 2.2 交流励磁发电系统概述
• 2.2.1 变速恒频发电技术
• 2.2.2 双馈异步发电机的工作原理
• 2.3 双馈发电机的数学模型
• 2.3.1 矢量控制技术简述
• 2.3.2 三相坐标系下的双馈发电机数学模型
• 2.3.3 坐标变换
• 2.4 本章小结
• 第3章 双馈发电系统的控制策略
• 3.1 双馈电机定子磁场定向的数学模型
• 3.2 双馈风力发电机空载并网控制策略
• 3.2.1 控制策略
• 3.2.2 定子磁链观测器的建立
• 3.3 双馈发电机的并网准同期控制
• 3.3.1 双馈发电机的两种并网方式
• 3.3.2 双馈发电机的准同期条件
• 3.4 本章小结
• 第4章 双馈发电机励磁控制系统的设计
• 4.1 基于MSP430 单片机的双馈发电机励磁控制系统的硬件设计
• 4.1.1 MSP430F149 单片机简介
• 4.1.2 双馈风力发电控制系统总体设计
• 4.1.3 网侧变换器的主电路设计
• 4.1.4 网侧变换器的驱动电路设计
• 4.1.5 转子侧变换器的主电路设计
• 4.1.6 转子侧变换器的驱动电路设计
• 4.1.7 信号检测电路
• 4.2 双馈发电机励磁控制系统的软件设计
• 4.2.1 软件的总体设计
• 4.2.2 系统各功能模块的软件设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统实验研究
• 5.1 实验结果分析
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢