基于双馈电机的变速恒频风电系统的研究

论文摘要

在能源消耗日益增长,环境污染日渐严重的今天,在对可再生能源的开发利用中,风能由于其突出的优点而成为世界各国普遍重视的能源,风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。而其中变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。变速恒频发电技术运用双馈电机的工作原理,当风速变化时,在发电机转子侧接入频率、幅值、相位可控的低频励磁电流,以保证双馈发电机定子输出频率的恒定。本文对现今世界风能应用技术中,相对成熟的双馈发电机,进行矢量控制研究。矢量控制作为一种先进的控制策略,是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的,具有先进性、新颖性和实用性的特点。本文首先介绍了变速风力发电机组的基本原理,根据变速风力机在不同区域的运行,确定了基本的控制策略。通过对双馈型发电机结构和工作原理的分析,建立了交流励磁发电机的三相静止坐标系数学模型和两相旋转坐标系数学模型,提出了基于定子磁场定向的矢量控制策略,采用定子磁场定向的矢量控制方法实现对双馈发电机的有功功率和无功功率的独立控制。这些都为进一步的深入研究提供了有效的理论依据。其次,采用一种能量双向流动的双PWM变换器,满足了交流励磁发电系统励磁的需要,详细分析了三相电压型整流器的基本原理和数学模型,并确定了以电网电压定向的矢量控制策略。介绍了空间矢量脉宽调制的方法。最后,针对变速恒频双馈风力发电控制系统的特点,研究了基于DSP的变速恒频双馈风力发电控制系统。分别描述了控制系统整体硬件结构框图和控制程序构成,给出关键硬件电路原理图和控制程序的流程图,并说明其工作原理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 风力发电的分类及特点
• 1.2.1 风力发电机组的分类
• 1.2.2 风力发电技术的分类
• 1.3 课题的主要研究内容
• 2. 变速恒频双馈风力发电系统
• 2.1 几种常用的变速恒频风电系统
• 2.1.1 笼型感应发电机变速恒频发电系统
• 2.1.2 交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统
• 2.1.3 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 2.1.4 永磁发电机变速恒频发电系统
• 2.2 双馈风力发电系统
• 3 双馈风力发电系统的风力机
• 3.1 风力机的气动特性
• 3.1.1 风力机的特性系数
• 3.1.2 风力机的运行状态
• 3.2 风力机数学模型
• 3.3 风力机模型仿真
• 4 双馈发电机
• 4.1 双馈发电机的能量传递原理
• 4.2 双馈发电机的数学模型
• 4.2.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 4.2.2 坐标变换和变换阵
• 4.2.3 双馈发电机在两相旋转坐标系下的数学模型
• 4.3 以定子磁链定向的双馈电机矢量控制
• 4.3.1 额定风速以下时的速度控制
• 4.3.2 额定风速以上的功率控制
• 4.3.3 基于Matlab/Simulink 的双馈电机仿真
• 4.4 磁通观测器与转子速度观测器
• 4.4.1 磁通观测器的实现
• 4.4.2 转子速度观测器的实现
• 5 风力发电的双向变换器
• 5.1 交-直-交（双PWM）变换器
• 5.2 以电网电压定向的网侧变换器矢量控制
• 5.2.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 5.2.2 两相旋转坐标系下的数学模型
• 5.3 网侧变换器的控制系统
• 5.3.1 以电网电压定向的控制系统
• 5.3.2 网侧变换器仿真
• 5.4 空间电压矢量SVPWM
• 6 基于DSP 的系统方案设计
• 6.1 系统硬件的设计
• 6.1.1 TMS320LF2407A DSP 简介
• 6.1.2 系统构建
• 6.1.3 主电路结构选择与驱动电路设计
• 6.1.4 检测电路设计
• 6.1.5 其他外围电路
• 6.2 系统软件的设计
• 6.2.1 TMS320LF2407A 的编程特点
• 6.2.2 系统软件各部分说明及流程图
• 6.2.3 系统功能模块的划分与实现
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A
• 在学研究成果
• 致谢