风力发电系统中次同步超同步动态过程控制策的研究

论文摘要

变速恒频风力发电技术是一种新型高效环保的发电技术,在风力发电领域有着良好的应用前景。本文运用双馈电机的工作原理,在双馈电机转子侧接入双PWM变换器对双馈电机励磁。由于双PWM变换器只需供给转差功率,大大减少了对双PWM变换器容量的要求。根据风力机转速的变化调节转子励磁频率,保证双馈电机定子侧输出恒定频率交流电,并使风力机能在较大转速范围内运行。本文首先研究了双PWM变换器的网侧变换器,网侧变换器通过直流环节实现转子侧变换器与电网之间的能量转换。建立了网侧变换器的数学模型,并在Matlab环境下进行仿真,仿真结果表明:直流侧电压是可控的。然后研究了双馈电机的数学模型,并建立了双馈电机定子磁链定向的矢量控制策略。研究了几种磁链观测的方法,确定了矢量控制策略下的两种控制方案:功率控制下的转子侧控制方案和速度控制下的转子侧控制方案。其中功率控制方案能实现有功功率和无功功率的解耦控制;速度控制方案能实现风力机在次同步和超同步速下运行,以及次同步和超同步速之间的快速切换。在仿真研究中,本文利用Matlab软件建立了转子侧控制方案的仿真模型,选用与风力机最大输出功率对应的转速作为矢量控制的参考值做了仿真,并给出常规PI控制下的仿真结果。仿真结果验证了定子磁链定向矢量控制策略的正确性。最后,本文还研究了自整定一维模糊PH控制策略,并和常规PI控制策略进行了仿真对比分析,结果表明:基于自整定一维模糊PI控制策略具有明显的优越性,速度响应更快,超调更小。具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电与可再生能源的利用
• 1.1.1 能源危机与可再生能源的开发
• 1.1.2 国外风力发电的现状与趋势
• 1.1.3 国内风力发电技术的研究现状
• 1.1.4 风力发电技术总体现状
• 1.2 风力发电技术概述
• 1.2.1 风力机的功率调节
• 1.2.2 双馈发电机概述
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 变速恒频风力发电系统的运行特征与能量关系
• 2.1 变速恒频风力发电系统
• 2.1.1 鼠笼式感应发电机变速恒频风力发电系统
• 2.1.2 双馈式变速恒频风力发电系统
• 2.2 最大风能捕获的运行机理
• 2.2.1 风力机最大风能捕获的运行机理
• 2.2.2 风力机输出机械功率与转速的关系曲线
• 2.3 双馈风力发电机的能量流动与平衡关系
• 2.3.1 双馈风力发电机的能量流动关系
• 2.3.2 交流励磁风力发电机的功率平衡关系
• 第三章 网侧PWM变换器的数学模型与控制方案
• 3.1 网侧变换器数学模型
• 3.1.1 三相静止坐标系ABC下的网侧变换器数学模型
• 3.1.2 功率守恒原则下的坐标变换关系
• 3.1.3 两相静止αβ坐标系下的网侧变换器数学模型
• 3.1.4 同步旋转dq坐标系下网侧变换器数学模型
• 3.1.5 网侧PWM变换器的稳态分析
• 3.2 网侧变换器的仿真
• 第四章 交流励磁双馈电机的次同步与超同步动态过程研究
• 4.1 交流励磁双馈电机在dq坐标系上的数学模型
• 4.2 交流励磁双馈电机定子磁链定向的矢量控制策略
• 4.2.1 定子磁链定向控制的基本概念
• 4.2.2 定子磁链定向矢量控制策略与系统框图
• 4.2.3 定子磁链观测的几种方法
• 4.2.4 解耦控制策略
• 4.2.5 解耦控制的仿真
• 4.3 双馈电机在次同步与超同步动态过程的机理分析
• 4.3.1 输出功率特性
• 4.3.2 风力机在次同步和超同步速间的过渡与切换
• 4.4 采用双PWM控制器的调节过程
• 4.5 次同步、超同步动态过渡过程的仿真研究
• 4.5.1 常规PD控制算法下的仿真研究
• 4.5.2 自整定一维模糊PID控制的研究
• 4.5.3 基于自整定一维模糊PID的仿真研究
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录 FD77型风力发电机
• 在学研究成果
• 致谢