DCM-DFIG风力发电模拟系统的研究

论文摘要

能源与环境是当今世界各国所面临的两大课题，开发对环境无污染的新能源与可再生能源是能源发展的主要方向。随着智能电网概念和低碳经济发展模式的提出，可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视，其中，风能是最具大规模开发利用的可再生能源。作为一种近期内技术最成熟的可再生能源的开发利用技术，风力发电不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的环境效益。对于能源短缺的我国，风力发电可以填补能源空缺，缓解部分省市电力不足的问题，同时作为一种清洁能源，还可以缓解我国的环境问题。因此，风力发电的研究受到越来越广泛的重视，也已经得到了初步应用，前景明朗。由于在风力发电现场进行实验，虽然真实具体，但是存在环境恶劣以及间歇性等问题，不便于实地研究，而且增加研究成本和时间，所以在实验室条件下，搭建风力发电模拟系统，在此系统上进行风力发电的各项研究，具有及时性、方便性和全面性等优势，也能够模拟风场各种情况，便于科研人员以及广大学生参加模拟测试。建立风力发电模拟系统对风力发电技术的发展具有重要意义。本文主要针对他励直流电动机（DCM）-有刷双馈感应发电机（DFIG）风力发电模拟系统展开研究，在详细分析风力发电发展的必要性、风力发电技术发展现状和未来发展趋势的基础上，对于DCM-DFIG风力发电模拟系统进行了深入的分析和探讨，从通用性的角度对风力发电模拟系统的组成及其运行特征、DCM模拟风力机原理、DFIG工作原理及其控制策略、DCM-DFIG风力发电系统监控平台设计等方面展开分析，对于整套DCM-DFIG风力发电模拟系统，从控制原理、仿真分析、电路设计、实验分析等方面展开研究。主要研究工作如下：（1）详细分析了风力发电模拟系统各个组成部分，介绍了原动机和发电机的种类与特点，明确了不同原动机和发电机的控制方法与运行特征及其优缺点，引出了DCM-DFIG变速恒频风力发电模拟系统为一种比较理想的系统，介绍了其主要组成部分及各自的作用；（2）详细分析了他励DCM的工作原理和DCM模拟风力机原理，在此基础上基于西门子直流调速器6RA70256GV62分析了他励DCM电枢和励磁电压的相位控制方法，并对转速、电流双闭环调速策略进行了理论分析；（3）详细分析了DFIG的工作原理、DFIG在风力发电中的应用、DFIG转子回路背靠背变换器的类型及网侧和转子侧变换器的运行原理与机制，同时介绍了变换器各种PWM调制算法的应用原理，以实现对DFIG运行的有效控制；（4）分析了开关函数算法和空间矢量算法的本质特征，尤其8种矢量的作用机理，提出了一种最小开关损耗的SPWM和SVPWM调制算法，能够在最大程度上实现电压源逆变器的最小开关次数和降低开关应力，该算法在地板水暖PMSM调速系统中得到验证和应用。提出了将逆变器最小开关损耗的SPWM和SVPWM调制算法应用到电压源整流器中的思想，将该算法应用到电压源整流器的调制算法中，发现了整流器与逆变器调制算法的异同点；（5）在分析DCM-DFIG风力发电模拟系统的工作原理后，建立了DCM-DFIG风力发电模拟系统功率电路的MATLAB/SIMLINK仿真分析，在给出各个部分的仿真分析后，对整个风力发电系统进行了全面细致的仿真分析能够实现从风力的改变到并网发电的全部过程；（6）在上述工作的基础上，在实验室条件下，依托实际研发项目，参与设计和搭建了一套DCM-DFIG风力发电模拟实验平台，包括上位机风力发电系统SCADA监控平台、DCM风力机模拟系统和DFIG发电并网部分。分析了这个风力发电系统的原理框图、电路拓扑和控制流程，并给出了整机初步测试中的部分实验结果，验证了本文DCM-DFIG风力发电模拟系统的可行性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 可再生能源的分类和发展
• 1.2 风力发电的现状与趋势
• 1.2.1 风力发电技术的现状
• 1.2.2 风力发电技术的趋势
• 1.3 风力发电模拟系统的意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 风力发电模拟系统的设计
• 2.1 原动机的选型
• 2.2 发电机的选型
• 2.3 模拟系统的构建
• 2.3.1 总体配置
• 2.3.2 发电机组
• 2.3.3 监控平台
• 2.3.4 开关柜
• 2.4 本章小结
• 第3章 DCM 模拟风力机运行调速原理
• 3.1 风力机特性分析
• 3.2 他励 DCM 特性分析
• 3.3 他励 DCM 模拟风力机原理
• 3.4 他励 DCM 调速原理
• 3.4.1 DCM 直流电源
• 3.4.2 他励 DCM 的闭环控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 双馈感应发电机发电原理
• 4.1 双馈感应发电机的原理与分类
• 4.2 变速恒频双馈感应发电分析
• 4.2.1 BDFM 变速恒频发电原理
• 4.2.2 DFIG 变速恒频发电原理
• 4.3 DFIG 转子回路变换器
• 4.3.1 背靠背变换器的分类
• 4.3.2 双 PWM 变换器的控制算法
• 4.3.3 逆变器的最小开关损耗算法
• 4.3.4 整流器的最小开关损耗算法
• 4.4 本章小结
• 第5章 DCM-DFIG 风力发电模拟系统的仿真
• 5.1 DCM-DFIG 机组连接轴的仿真
• 5.2 模拟风力机他励 DCM 的仿真
• 5.2.1 风力机模型
• 5.2.2 三相相控整流器电枢电源
• 5.2.3 单相相控整流器励磁电源
• 5.2.4 DCM 模拟风力机仿真
• 5.3 风力发电机 DFIG 的仿真
• 5.3.1 三相电压源逆变器
• 5.3.2 三相电压源整流器
• 5.3.3 直流侧释能保护电路
• 5.3.4 DFIG 并网发电的仿真
• 5.4 DCM-DFIG 风力发电模拟系统仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 DCM-DFIG 风力发电模拟系统的建立
• 6.1 风力发电模拟实验系统概述
• 6.2 SCADA 监控平台
• 6.2.1 SCADA 软件环境
• 6.2.2 SCADA 监控设计
• 6.3 模拟实验系统通信的设计
• 6.3.1 上位机与 PLC 通信
• 6.3.2 直流调速器与 PLC 的通信
• 6.4 他励 DCM 部分的设计
• 6.4.1 他励 DCM 选型
• 6.4.2 西门子直流调速器
• 6.4.3 DCM 模拟风力机实验结果
• 6.5 DFIG 发电部分的设计
• 6.5.1 DFIG 选型
• 6.5.2 数字平台设计
• 6.5.3 DSP 软件编制
• 6.6 实验装置和结果
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文