变速恒频双馈风力发电机控制系统的研究

论文摘要

随着环境污染的日益严重和地球能源的日益紧缺,风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视,风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。而变速恒频双馈风力发电技术以其成本低、效率高等特点成为当今风力发电技术中的主流。本文首先介绍了风力发电技术的发展现状,通过对风力机机械转矩特性和双馈电机的研究,得出变速恒频风电机组的转矩——转速特性。在分析双馈感应发电机动态数学模型及其定子磁链定向矢量控制的基础上,构建了其有功和无功功率解耦控制的双闭环控制方案。利用MATLAB/SIMULINK平台进行了仿真研究,并验证了该控制方案的正确性,对实际系统的软硬件设计与调试具有一定的指导意义。然后,对作为双馈发电机励磁电源的双PWM变换器的拓扑结构及基本原理进行了深入研究,重点分析了三相PWM变换器在同步d-q坐标系中的数学模型。研究了带电流耦合、电网电压前馈补偿的控制策略,并通过仿真验证了双PWM变频器具有输入输出特性好、谐波少、能量可双向流动等特点。并将变速恒频双馈风力发电运行研究拓展到了电网故障条件下的运行控制。建立了计及电网电压故障的变速恒频双馈风力发电系统完整仿真模型。接着利用Simulink中的“Target for TI C2000”工具箱和TI公司的CCS集成开发环境,以网侧变换器为例,详细介绍了DSP代码的自动生成。最后,在仿真基础上设计了一套基于DSP的双馈风电模拟系统,系统采用一台5.5kW的绕线式异步电机做发电机,使用双DSP分别控制网侧和转子侧变换器,论文详细介绍了电压电流信号检测电路、通讯接口电路、正交编码脉冲电路和保护电路的设计,并给出了控制程序的主要流程。综上所述,本文研究成果为变速恒频双馈风电机组的控制系统的设计提供了理论依据,仿真结果验证了本文理论研究的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 可再生能源的利用与风力发电
• 1.2 风力发电技术概述
• 1.2.1 风力机特性
• 1.2.2 定桨距与变桨距控制
• 1.2.3 恒速恒频与变速恒频风力发电技术
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 双馈系统运行理论
• 2.1 系统的基本结构
• 2.2 双馈电机的数学模型
• 2.2.1 三相静止坐标下双馈电机的数学模型
• 2.2.2 坐标变换理论
• 2.2.3 两相同步旋转坐标系下双馈电机的数学模型
• 2.3 风力机的最大风能捕获
• 2.3.1 风能的计算
• 2.3.2 风能最大捕获原理
• 2.3.3 风力机数学模型
• 2.4 小结
• 第3章 双PWM 变换器研究
• 3.1 双PWM 变换器原理及数学模型
• 3.1.1 变换器原理
• 3.1.2 变换器数学模型
• 3.2 网侧PWM 变换器的控制策略
• 3.2.1 网侧PWM 变换器的控制策略概述
• 3.2.2 网侧PWM 变换器的电压、电流双闭环控制
• 3.3 机侧PWM 变换器的控制
• 3.3.1 矢量控制概述
• 3.3.2 定子磁场定向控制策略
• 3.4 双PWM 变换器的仿真
• 3.4.1 网侧变换器仿真
• 3.4.2 转子侧变换器仿真
• 3.5 计及电网电压波动的DFIG 控制模型
• 3.6 小结
• 第4章 MATLAB 的DSP 自动代码生成
• 4.1 EMBEDDED TARGET FOR TI C2000 DSP 的特点及开发应用流程
• 4.2 DSP 代码自动生成
• 第5章 双馈风力发电系统的硬件实现
• 5.1 系统总体结构
• 5.2 控制系统硬件设计
• 5.2.1 DSP 控制器
• 5.2.2 信号采集电路
• 5.2.3 IPM 驱动电路
• 5.2.4 故障保护电路
• 5.2.5 CAN 通讯模块
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录