基于交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统的研究

论文摘要

能源紧缺问题日益突出,供电需求形式日益严重。利用最环保、清洁的新能源之一的风能,对于缓解能源压力有着重要的意义。不同于常规风力发电系统,交流励磁双馈风力发电系其变频策略在转子侧,转子回路仅处理双向流动的转差功率,所以变频器体积小、成本低,而且机电系统之间实现了柔性连接。本文主要针对双馈电机变速恒频风电系统及其控制策略进行探讨。文章首先介绍了风力发电的基本原理,分析了风力机捕获最大风能的运行原理以及风能利用系数与叶尖速比、桨叶节距角之间的非线性关系。解释了风机输出功率与电机转速之间的关系,以及风速变化下,电机跟随最佳功率曲线的调节过程。对风力机在定桨距及变桨距下的特性进行了仿真,通过对比发现采用变桨距控制策略可以提高风能利用效率。分析了双馈电机的基本工作原理,推导出双馈电机在旋转坐标系下的数学模型。按照定子侧为发电机惯例给出了双馈电机的等值电路,并在等值电路的基础上分析了功率双向流动性。采用了同步机稳定性分析方式,对双馈电机静态稳定性能进行了分析,得出了稳定条件。简单介绍了整流器的原理,建立了PWM整流器的数学模型,采用矢量控制策略对网侧PWM整流器的有功和无功进行解耦,并推导出表达式。对双闭环整流器结构进行了分析,解释了如何设计控制系统中的调节器,如何确定主电路参数。并对双闭环PWM整流器进行了仿真,得出了仿真结论。采用定子磁链定向的控制方式对定子端有功功率和无功功率进行解耦,借助于定、转子间磁链的耦合,推出转子电压与定子电流间的关系式。搭建了基于定子磁链定向的风力发电系统的控制框图,分析了系统的控制策略,对风速变化时,如何通过调节转子电压来改变转子侧功率流动,从而追踪风机最佳功率的过程进行了详细的阐述。图86表2参56

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内、外风电发展历史及现状
• 1.2.1 世界风电发展状况
• 1.2.2 我国风电发展状况
• 1.3 风力发电技术
• 1.3.1 桨距调节技术
• 1.3.2 变速恒频的风力发电
• 1.4 本文主要研究的内容
• 2 风机的分析
• 2.1 风机的基本结构
• 2.2 最大风能捕获原理及桨叶角的控制
• 2.2.1 桨叶角的控制
• 2.3 输出机械功率与转速的关系
• 2.4 基于风机特性的仿真
• 2.4.1 仿真中一些参数的说明
• 2.4.2 风力机特性的仿真
• 2.5 本章小结
• 3 双馈电机的分析
• 3.1 双馈电机的基本原理
• 3.2 双馈电机的数学模型
• 3.2.1 坐标变换
• 3.2.2 双馈电机在旋转坐标系下的数学模型
• 3.3 双馈电机的等值电路
• 3.4 功率双向流动分析
• 3.5 双馈电机静态稳定性能分析
• 3.6 本章小结
• 4 基于矢量控制网侧PWM整流器的研究
• 4.1 网侧PWM整流器的原理及数学模型
• 4.1.1 PWM整流器的原理
• 4.1.2 PWM整流器的数学模型
• 4.2 网侧PWM整流器的控制策略
• 4.2.1 电压和电流双闭环的控制系统
• 4.2.2 电流内环PI调节器的设计
• 4.2.3 电压外环PI调节器的设计
• 4.3 主电路参数的选择
• 4.3.1 交流侧电感的选择
• 4.3.2 直流侧输出电压的选择
• 4.3.3 直流侧电容的选择
• 4.4 网侧PWM整流器的仿真
• 4.4.1 稳态仿真
• 4.4.2 动态仿真
• 4.5 本章小结
• 5 交流双馈电机风力发电系统的控制策略研究
• 5.1 定子磁链定向控制策略
• 5.1.1 前馈项的处理
• 5.1.2 定子磁链观测器及模型
• 5.2 追踪最佳功率曲线理论分析
• 5.3 风力发电系统的仿真
• 5.4 本章小结
• 6 网侧PWM整流器实验
• 6.1 整流器系统的硬件设计
• 6.1.1 系统的硬件组成
• 6.1.2 主电路器件
• 6.1.3 检测电路的设计
• 6.1.4 控制电路及电源的设计
• 6.2 整流器系统的软件设计
• 6.2.1 主程序
• 6.2.2 定时器T3下溢中断服务子程序
• 6.2.3 外中断1服务子程序
• 6.2.4 软件锁相子程序
• 6.2.5 电压、电流环调节程序
• 6.2.6 SPWM程序
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 电压单闭环实验
• 6.3.2 电压、电流双闭环实验
• 6.4 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果