变速恒频双馈风力发电系统的研究

论文摘要

当今时代，传统化石能源储量已经严重不足，而且化石能源的消耗会带来了一系列环境问题，这就迫切需要寻找新的绿色可再生的能源来弥补传统能源的供给不足，并最终替代传统能源。风能作为一种可再生的绿色能源，以往由于控制技术等因素的限制，没有得到很好的利用，今天随着科技的发展，风能已经可以很好的进行大规模的开发与利用，世界各国对风力发电技术也给予很高的关注，并投入了大量的资金予以发展。本论文就是在这种背景下，以变速恒频双馈风力发电系统的控制与设计为主题，对双馈型发电机的基本结构和运行机理进行了深入的研究，并用矢量控制的方法对整个系统进行控制。本文首先阐述了使用双馈发电机的变速恒频风力发电系统的优越性；其次介绍了风力机的空气动力学特性，并搭建了风力机数学模型，论证了使风力机达到对风能最大利用的原理；再次讨论了双馈发电机在不同风速下的运行状态，在分析其基本电路和基本原理的基础上，运用以定子磁链为定向矢量的矢量控制方法，实现了对双馈发电机的有功功率与无功功率的解耦控制。对变速恒频双馈风力发电系统的核心控制器件双PWM变流器进行了研究，分析了变流器的基本结构与基本功能，并论述了能量在变流器与电网之间流动时变流器的运行状态，并构建了数学模型，在此基础上提出了以电压空间矢量控制技术为控制策略，实现了变流器能自动根据风速来完成整流与逆变工作状态的转换，并最终实现了能量可以在双馈电机与电网之间的双向流动。最后运用鼠笼电机与绕线式异步电机模拟了变速恒频双馈风力发电系统，通过实验验证了相关理论，实现了并网发电。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外风力发电的发展概况
• 1.1.1 世界风力发电的发展概况
• 1.1.2 中国风力发电的发展现状
• 1.2 风电系统的类型
• 1.3 变速恒频风力发电系统
• 1.3.1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.3 双馈型发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.4 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 1.3.5 同步直驱发电机变速恒频风电系统
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 2 风电系统中的风力机与双馈型发电机的运行分析
• 2.1 变速恒频双馈风电系统中的风机部分
• 2.1.1 风轮的气动特性
• 2.1.2 风力机的数学模型
• 2.1.3 风力机仿真模型
• 2.2 变速恒频双馈发电机
• 2.2.1 变速恒频双馈发电机基本原理
• 2.2.2 双馈发电机的等效电路
• 2.2.3 双馈风力发电机系统的功率流向与能量关系
• 3 变速恒频风力发电系统的矢量控制技术
• 3.1 矢量控制技术
• 3.1.1 空间矢量的概念
• 3.1.2 矢量控制的基本思路
• 3.2 双馈发电机的数学模型
• 3.2.1 三相静止坐标系下双馈发电机数学模型
• 3.2.2 三相静止/二相旋转坐标系的变换
• 3.2.3 二相旋转坐标系下双馈电机数学模型
• 3.3 以定子磁链为定向矢量的矢量控制
• 3.4 基于 MATLAB/SIMULINK 的变速恒频双馈风电系统仿真
• 4 变速恒频双馈风力发电系统双 PWM 变流器的研究
• 4.1 变速恒频双馈风力发电系统的交流励磁电源
• 4.2 网侧变流器的基本结构
• 4.3 网侧变流器的数学模型
• 4.3.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 4.3.2 两相旋转坐标系下的数学模型
• 4.4 以电网电压为定向的网侧变流器的矢量控制
• 4.5 电压的空间矢量控制
• 4.5.1 SVPWM 的基本原理及实现
• 5 双馈异步风力发电机实验结果及分析
• 5.1 实验系统简介
• 5.2 实验系统主电路相关参数
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢