基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机控制研究

论文摘要

风力发电以其绿色、清洁、环保和可再生等优点成为世界能源增长最快的新领域。本文简单介绍了国内外风力发电的现状及其发展动态。在分析了风力发电技术现状和趋势的基础上,提出了一种新的基于交-交矩阵变换器的无刷双馈电机风力发电控制方式。解决了目前商用变速恒频风力发电系统普遍采用的交-直-交变流器由于存在中间直流环节而导致变流器效率不高和体积较大的问题。而且无刷双馈电机由于无须滑环和电刷,可靠性高,特别适用于在风力发电等恶劣的环境中运行。本文简单介绍了无刷双馈电机和矩阵变换器的发展历程、现状和发展研究情况。根据无刷双馈电机的基本结构和原理,分析了其变速恒频发电的实现。从其基本方程出发建立了无刷双馈电机在转子速d-q坐标系下的数学模型,由此推导出其稳态等效电路,并对其电磁关系与转速、功率、能量传输、效率和功率因数等特性进行了深入的分析。对作为无刷双馈电机励磁用变频器的矩阵变换器,在简单介绍其主拓扑结构原理、双向开关类型和辅助保护电路的基础上,对其调制方法和换流策略进行了深入的分析,确定了采用间接空间矢量调制的方法和四步换流的策略。以此建立了矩阵变换器的仿真模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果证明了所采用的调制方法和换流策略的正确性和可行性。在利用转子d-q坐标系与同步坐标系之间的转换关系实现无刷双馈电机定子功率绕组和控制绕组的解耦控制基础上,提出了基于d-q坐标系的无刷双馈电机有功功率和无功功率独立控制的策略。设计了基于交-交矩阵变换器的无刷双馈电机双闭环变速恒频风力发电系统,并主要对其有功和无功功率的控制以及矩阵变换器IGBT驱动进行了实现性分析。利用前面所有的理论分析,在成功对矩阵变换器进行仿真分析的基础上,建立了系统的仿真模型,并对该系统进行了简单的同步速下的仿真分析。仿真结果验证了所建系统以及控制策略的正确性,表明研究开发矩阵式变换器配合新型无刷双馈电机发电将构成极具潜力的变速恒频风力发电方式,具有重要的理论研究和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电的国内外现状
• 1.1.1 国外风电发展现状
• 1.1.2 我国风电发展现状
• 1.2 国内外风力发电相关技术的现状和趋势
• 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 无刷双馈电机的发展研究情况
• 1.4 矩阵式变换器的发展研究情况
• 1.5 本文选题的目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 无刷双馈电机与矩阵变换器的基本理论
• 2.1 无刷双馈电机的基本理论
• 2.1.1 无刷双馈电机的定子结构和绕组连接方式
• 2.1.2 无刷双馈电机的转子结构类型
• 2.1.3 无刷双馈电机的运行方式
• 2.1.4 无刷双馈电机的系统特点
• 2.2 矩阵变换器的基本理论
• 2.2.1 矩阵变换器的主电路拓扑结构
• 2.2.2 矩阵变换器的双向开关类型
• 2.2.3 矩阵变换器的辅助电路
• 2.3 本章小结
• 第三章 无刷双馈发电机的模型与特性分析
• 3.1 无刷双馈发电机的数学模型
• 3.1.1 电机的基本方程
• 3.1.2 d-q 坐标系下的数学模型
• 3.1.3 电机的稳态等效电路
• 3.2 无刷双馈发电机的特性分析
• 3.2.1 无刷双馈发电机的电磁关系与转速分析
• 3.2.2 无刷双馈发电机的功率分析
• 3.2.3 无刷双馈发电机的能量传输分析
• 3.2.4 无刷双馈发电机的效率和功率因数分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 矩阵变换器的调制与换流分析
• 4.1 矩阵变换器的调制方法
• 4.1.1 调制的概念与常用调制方法
• 4.1.2 间接空间矢量调制
• 4.2 矩阵变换器的换流策略
• 4.3 矩阵变换器的仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制策略
• 5.1 无刷双馈发电机的控制策略
• 5.1.1 控制绕组和功率绕组的解耦
• 5.1.2 功率控制策略
• 5.2 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制系统
• 5.2.1 双闭环控制系统设计
• 5.2.2 无刷双馈风力发电机的功率控制
• 5.2.3 矩阵变换器双向开关的IGBT 驱动
• 5.3 系统仿真分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录