无刷双馈风力发电机的设计及其控制系统研究

论文摘要

随着人们对能源危机及环境污染的日益重视,风力发电在世界范围内得到了迅速发展。因此,发展适用于风力发电的特殊发电机越来越受到关注。无刷双馈发电机与其它发电机相比具有明显的优势,如变频装置容量小,能够降低系统的成本,且与有刷系统相比,取消了电刷和滑环,从而提高了系统的可靠性。所以,研究适合风力发电用的无刷双馈发电机,具有重要的理论意义和实用价值。本文首先分析了无刷双馈电机不同于普通交流异步电机的特殊结构,然后详细讨论了无刷双馈电机的基本运行原理,推导了无刷双馈电机的基本方程,建立了其等效电路,分析了电机在不同状态下的能量流动关系;其次,在传统交流电机的设计原理及设计原则指导下,根据无刷双馈发电机自身的设计特点,对一台功率为6kW,极对数为（3+1）对极的无刷双馈发电机进行了电磁设计,并使用电机设计软件验证了电机设计尺寸的合理性,然后根据绕组函数法,利用ANSOFT软件先建立了电机的物理模型,然后在瞬态场环境下求解了电机的电感参数;再次,针对发电机的运行特点,采用了发电机惯例,通过坐标变换推导了适合无刷双馈发电机运行的转子速dq轴模型,并利用MATLAB软件,仿真分析了无刷双馈发电机在异步、亚同步、超同步运行状态下的仿真曲线,进一步揭示了无刷双馈发电机的运行特性及发电原理,并验证了电机仿真模型及设计参数的准确性;最后,详细分析了一种适合于无刷双馈风力发电机的矢量控制方法来实现有功功率和无功功率的解耦控制,同时构建了无刷双馈风力发电系统的并网仿真模型,仿真结果验证了无刷双馈风力发电系统模型的正确性及功率绕组磁场定向矢量控制的有效性,这些结果都为进一步研究无刷双馈风力发电系统奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外风力发电研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外风力发电的现状及发展趋势
• 1.2.2 国内风力发电的现状及发展趋势
• 1.3 无刷双馈电机的研究现状及发展趋势
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 无刷双馈电机的基本原理及稳态特性分析
• 2.1 无刷双馈电机的基本构成
• 2.1.1 定子结构和绕组的连接方式
• 2.1.2 转子的结构类型
• 2.2 无刷双馈电机的基本工作原理
• 2.2.1 无刷双馈电机的不同运行方式
• 2.2.2 无刷双馈发电机的变速恒频发电原理
• 2.3 无刷双馈电机的稳态特性分析
• 2.3.1 电机的稳态方程及等效电路
• 2.3.2 电机不同状态下的功率分配及能量流动
• 2.4 本章小结
• 第3章 无刷双馈风力发电机的设计及参数计算
• 3.1 无刷双馈发电机的设计原则
• 3.2 定子结构的设计
• 3.2.1 定子绕组的极对数
• 3.2.2 定子绕组节距的设计
• 3.2.3 磁负荷及电负荷的确定
• 3.3 转子结构的设计
• 3.3.1 笼型转子的绕组形式
• 3.3.2 转子槽数的确定
• 3.4 无刷双馈电机的参数计算
• 3.4.1 电机的主要尺寸参数计算
• 3.4.2 电机的电感参数计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 无刷双馈发电机的建模及运行特性仿真
• 4.1 无刷双馈风力发电机的数学模型
• 4.1.1 三相静止abc 坐标系下的数学模型
• 4.1.2 两种坐标轴之间的坐标变换
• 4.2 无刷双馈风力发电机的转子速DQ 轴模型
• 4.3 无刷双馈风力发电机的运行特性仿真
• 4.3.1 单馈异步运行仿真
• 4.3.2 亚同步速运行仿真
• 4.3.3 超同步速运行仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 无刷双馈发电机矢量控制系统的分析
• 5.1 风力机的基本原理及运行特性
• 5.1.1 风力机的基本运行原理
• 5.1.2 风力发电机组的运行区域及特性
• 5.2 无刷双馈风力发电机的控制策略
• 5.2.1 有功功率的计算
• 5.2.2 无功功率的计算
• 5.3 无刷双馈发电机磁场定向矢量控制系统设计
• 5.4 无刷双馈风力发电系统并网仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢