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变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究

作　者: 赵仁德
导　师: 贺益康
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 变速恒频 风力发电 交流励磁 双馈感应发电机 双PWM变换器 矢量控制 不间断运行 电网故障 虚拟电网磁链 无传感器运行
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


随着风电机组容量的不断增大,提高机组运行效率成为风力发电技术研究的重要内容。可实现最大风能追踪的变速恒频双馈风力发电系统成为研究开发的热点,在该系统中,交流励磁电源的设计与控制是关键。本文的研究工作主要是围绕着变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究展开的。 根据变速恒频双馈风力发电系统对交流励磁电源的要求,本文首先对目前适合用作交流励磁电源的六种变换器进行了详细深入地比较分析,认为在目前的电力电子技术条件下,两电平电压型双PWM变换器是可用作变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源的最具优势的一种变换器,而多电平与软开关技术的结合将是交流励磁电源的发展方向。 在双PWM变换器的网侧PWM变换器的研究中,提出了用于负载扰动分析的网侧PWM变换器简化等效电路,深入剖析了网侧PWM变换器在传统控制方式下只有d轴电流可供控制,致使负载突变时动态响应受到限制的问题。对此,提出igq*≠0动态变结构控制方案。仿真结果表明,该方案可以较大程度地提高网侧PWM变换器的抗负载扰动性能。 对网侧PWM变换器的无电网电压传感器控制技术进行了研究,提出了一种基于虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器的矢量控制方案,解决了初始虚拟电网磁链准确观测的难点,使网侧PWM变换器不用对电网电压进行采样即可实现矢量控制,省去了电网电压传感器及其处理电路但并不影响其控制性能,仿真和实验结果验证了所提出方案的良好控制性能。 在转子侧PWM变换器的研究中,在电网电压恒定的情况下对DFIG矢量形式的数学模型进行简化,进行了基于定子磁链定向和基于定子电压定向的转子电流环控制器的设计研究。深入分析了DFIG风力发电系统最大风能追踪的机理和实现的方案,设计了基于定子电压定向矢量控制、实现最大风能追踪、有功和无功功率解耦的DFIG的控制方案。 在实验研究中,设计和研制了一台双PWM变换器交流励磁的15kW变速恒频DFIG风力发电系统的实验样机,进行了系统的变速恒频发电系统运行实验研究,取得了有实用价值结论。 最后,将变速恒频双馈风力发电运行研究拓展到了电网故障条件下的运行控制。建立了计及电网电压故障的变速恒频双馈风力发电系统完整仿真模型,为系统不间

全文目录


摘要  5-7
Abstract(英文摘要)  7-9
目录  9-14
第一章 绪论  14-36
  1．1 可再生能源利用与风力发电  14-19
    1．1．1 能源危机、环境危机和绿色能源的开发  14-15
    1．1．2 风能开发与风力发电  15
    1．1．3 国外风力发电的现状与趋势  15-17
    1．1．4 国内风力发电的现状  17-19
  1．2 风力发电技术概述  19-32
    1．2．1 风力机类型  19
    1．2．2 风力机的基本特性  19-21
    1．2．3 风力机的功率调节  21-22
    1．2．4 恒速恒频与变速恒频风力发电技术  22-31
    1．2．5 风力发电系统与电网的整合及它们之间的相互影响  31-32
  1．3 本文的主要研究内容  32-34
  参考文献  34-36
第二章 变速恒频双馈风力发电机用交流励磁电源分析  36-56
  2．1 两电平电压型双PWM变换器  36-38
    2．1．1 优势  37-38
    2．1．2 不足  38
  2．2 交-直-交电压源、电流源并联型变换器  38-41
    2．2．1 优势  40-41
    2．2．2 不足  41
  2．3 晶闸管相控交-交直接变换器  41-43
    2．3．1 优势  42
    2．3．2 不足  42-43
  2．4 矩阵式变换器  43-45
    2．4．1 优势  43-44
    2．4．2 不足  44-45
  2．5 多电平变换器  45-48
    2．5．1 优势  47
    2．5．2 不足  47-48
  2．6 普通钳位谐振变换器(NCC(Natural Clamped Converter))  48-49
    2．6．1 优势  48-49
    2．6．2 不足  49
  2．7 六种变换器之比较  49-52
  2．8 本章小结  52-53
  参考文献  53-56
第三章 网侧PWM变换器及其控制  56-102
  3．1 网侧PWM变换器的数学模型及稳态分析  57-66
    3．1．1 三相静止坐标系下的网侧PWM变换器数学模型  58-59
    3．1．2 功率守恒原则下的坐标变换关系  59-61
    3．1．3 两相静止αβ坐标系下网侧PWM变换器的数学模型  61-62
    3．1．4 同步旋转dq坐标系下网侧PWM变换器的数学模型  62-63
    3．1．5 网侧PWM变换器的稳态分析  63-66
  3．2 网侧PWM变换器控制概况  66-68
  3．3 d轴电网电压定向同步旋转坐标系下网侧PWM变换器的电压、电流双闭环控制  68-76
    3．3．1 电流内环控制器的设计  70-71
    3．3．2 电压外环控制器的设计  71-73
    3．3．3 解耦及扰动的补偿  73-74
    3．3．4 控制器有关算法的DSP数字实现  74-76
  3．4 提高网侧PWM变换器的抗负载扰动性能研究  76-83
    3．4．1 传统带负载电流前馈双闭环控制抗负载扰动性能分析  76-79
    3．4．2 瞬态i_(gq)~*≠0变结构双闭环改进控制  79-80
    3．4．3 直流母线电容的选择  80-81
    3．4．4 仿真验证  81-83
  3．5 网侧PWM变换器的无电网电压传感器虚拟电网磁链定向矢量控制  83-91
    3．5．1 虚拟电网磁链的引入  84-85
    3．5．2 d轴虚拟电网磁链定向下网侧PWM变换器的数学模型  85-86
    3．5．3 带初始值观测的虚拟电网磁链观测器  86-88
    3．5．4 仿真及实验研究  88-91
  3．6 基于C MEX S-函数的电压空间矢量调制仿真模型  91-99
    3．6．1 SVPWM的基本原理  92-94
    3．6．2 TI DSP三段逼近均分零矢量SVPWM的简单实现  94-96
    3．6．3 基于C MEX-S函数的SVPWM的Simulink仿真模型  96-97
    3．6．4 仿真结果  97-99
  3．7 本章小结  99-100
  参考文献  100-102
第四章 转子侧PWM变换器及其对DFIG的运行控制  102-128
  4．1 转子侧PWM变换器的功能与控制  102-103
  4．2 DFIG在三相静止ABC坐标系下的数学模型  103-107
  4．3 DFIG在两相同步旋转坐标系下的数学模型  107-111
    4．3．1 坐标变换  107-108
    4．3．2 两相同步旋转dq坐标系下DFIG的数学模型  108-110
    4．3．3 同步旋转坐标系下DFIG电压方程的简化形式  110
    4．3．4 两相同步旋转坐标系下标么值形式的DFIG数学模型  110-111
  4．4 同步旋转坐标系下矢量形式的DFIG电压方程  111-115
    4．4．1 同步旋转坐标系下DFIG电压方程的矢量形式  111-112
    4．4．2 同步旋转坐标系下DFIG的功率计算  112-114
    4．4．3 电网电压恒定下DFIG矢量形式电压方程的简化  114-115
  4．5 电网电压恒定下DFIG的两种传统的矢量控制技术  115-121
    4．5．1 DFIG定子磁链定向矢量控制  116-118
    4．5．2 DFIG电网电压定向矢量控制  118-121
  4．6 DFIG的最大风能追踪控制  121-125
    4．6．1 变速恒频风力发电系统的运行区域  121-122
    4．6．2 定桨距情况下DFIG风力发电系统最大风能追踪的机理  122-124
    4．6．3 DFIG风力发电系统最大风能追踪控制的实现  124-125
  4．7 本章小结  125-126
  参考文献  126-128
第五章 双PWM变换器交流励磁DFIG运行实验研究  128-162
  5．1 实验系统的构成  128-130
  5．2 双PWM变换器控制系统的硬、软件的设计  130-137
    5．2．1 硬件结构与设计  130-133
    5．2．2 软件系统结构与设计  133-137
  5．3 实验研究  137-159
    5．3．1 并网前空载稳态运行实验  137-140
    5．3．2 空载并网实验  140-141
    5．3．3 并网后稳态运行实验  141-150
    5．3．4 并网后动态运行实验  150-154
    5．3．5 最大风能追踪实验  154-155
    5．3．6 无电网电压传感器网侧PWM变换器的虚拟电网磁链定向矢量控制的实验  155-159
  5．4 本章小结  159-160
  参考文献  160-162
第六章 电网故障下变速恒频双馈风力发电系统的不间断运行  162-184
  6．1 变速恒频双馈风力发电系统仿真模型的建立  163-169
    6．1．1 DFIG仿真模型  164-165
    6．1．2 计及电网线路传输阻抗的电网故障仿真模型  165-166
    6．1．3 网侧PWM变换器的平均值仿真模型  166-168
    6．1．4 转子侧PWM变换器仿真模型  168
    6．1．5 双馈感应型风力发电系统仿真模型  168-169
  6．2 电网电压故障下DFIG矢量控制策略的改进  169-175
    6．2．1 计及定子励磁电流动态过程的定子磁链定向矢量控制的改进方案  169-170
    6．2．2 计及定子励磁电流动态过程的电网电压定向矢量控制的改进方案  170-171
    6．2．3 仿真研究  171-175
  6．3 定转子匝比和直流母线电压对系统不间断运行能力的影响  175-178
  6．4 电网电压恢复时刻对系统不间断运行能力的影响  178-181
  6．5 本章小结  181-182
  参考文献  182-184
第七章 总结与展望  184-188
  7．1 本文的主要结论与创新点  184-186
  7．2 后续研究工作展望  186-188
攻读博士学位期间发表与录用的学术论文  188-189
致谢  189

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