风力发电机组电能质量监测与改善的研究

论文摘要

风能作为一种清洁能源,其利用相当广泛,风力发电作为其中的一个重要应用,对国民经济的发展有巨大的促进作用。同时应当看到,风力发电机组是一个动态性很强的系统,保证合格的电压并网是一个很大的挑战,本文即是对风电机组电能质量所作的研究,研究对象为双馈异步发电机组。本文主体分为三部分：风电机组电能质量监测的理论研究、风电机组电能质量改善的研究和风电机组电能质量监控系统的实现。电能质量监测首先研究了信号去噪的原理,小波阈值法去噪可以达到很好的去噪效果,它可以滤除信号的杂波,尤其是噪声干扰信号,这样可以大大提高谐波分析的精准度。谐波成分分析采用傅里叶加窗的办法,加窗截断会产生频谱泄漏,采样频率不够会导致栅栏效应,文中研究了几种常见窗函数的频谱特性,并给出了选择窗函数的原则和抑制栅栏效应的方法。针对电能质量会出现的电压突变情况,采用小波分解重构高频信号的办法,可以精确地检测出电压突变信号发生和停止的时刻。电能质量改善主要研究了神经网络PID的控制算法,结合定子电压定向的矢量控制技术实现有功和无功功率的控制,保证双馈电机在变速恒频状态下运转。风速变化影响发电机从风中吸收的能量,当风速低于风机运行的最低速度或高于极限运行速度时,发电机要切出电网,不再发电。跟踪风速变化更多关注的是追踪最大风能利用率,文中研究了神经网络算法应用于风速预测的模型,可实时有效地掌握风速的变化趋势。论文完成了系统主要模块的硬件和软件设计。硬件部分包括主控制电路、采样电路、频率检测电路、功率控制电路、网络通信电路等几个部分。控制芯片采用Altera的Cyclonell系列FPGA, FPGA主要有两个优势,其一是内部逻辑资源可随意配置,系统升级维护方便；其二它采用HDL编写的语句,不同的进程块及包含在进程块之间的语句可以并行执行,速度很占优势。软件部分主要研究了信号去噪和FFT的实现过程,完成了系统主程序和各模块的软件流程设计和部分代码编写。本文涉及的方法和理论通过仿真实验,表明能够满足风电系统电能质量监控的要求。但风电系统终究是一个复杂的系统,仍然有许多的工作要做,本文还只是一个初步的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 风电行业发展现状
• 1.3 电能质量研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 电能质量监控系统原理与电能质量国家标准
• 2.1 风电机组电能质量监控系统工作原理
• 2.2 双馈异步发电机工作原理简介
• 2.3 影响风电机组电能质量的扰动因素分析
• 2.4 电能质量国家标准
• 2.5 本章小结
• 第3章 风电机组电能质量监测
• 3.1 电能质量相关名词定义
• 3.2 风电机组谐波监测
• 3.2.1 谐波指标定义
• 3.2.2 信号采样
• 3.2.3 小波变换应用于信号去噪
• 3.2.4 傅里叶分析检测信号的谐波成分
• 3.3 风电机组暂态扰动量监测
• 3.3.1 风电机组暂态扰动问题分析
• 3.3.2 电压骤升监测
• 3.3.3 供电中断监测
• 3.3.4 频率波动监测
• 3.4 本章小结
• 第4章 风电机组电能质量改善研究
• 4.1 风速对风电机组电能质量的影响
• 4.2 风速检测与预测方法
• 4.2.1 风速检测方法
• 4.2.2 风速的预测方法
• 4.3 基于BP神经网络的风速预测
• 4.3.1 神经网络理论简介
• 4.3.2 风速预测仿真分析
• 4.4 发电机功率控制改善电能质量
• 4.4.1 功率控制原理
• 4.4.2 功率控制模块神经网络PID实现原理与仿真分析
• 4.4.3 功率控制模块电压空间矢量PWM实现原理与仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 风电机组电能质量监控系统硬件设计
• 5.1 电能质量监控主控制电路设计
• 5.2 电压电流信号采样电路设计
• 5.3 频率检测电路
• 5.4 功率控制驱动电路设计
• 5.5 网络通信电路设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 风电机组电能质量监控系统软件设计
• 6.1 主控Nios-CPU设计与总体流程图
• 6.2 谐波畸变分析主要模块的软件实现
• 6.3 暂态扰动量监测软件设计
• 6.4 功率控制软件设计
• 6.5 本章小结
• 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）
• 附录 B （攻读学位期间科研项目目录）
• 附录 C （系统硬件电路图）