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DFIG风力发电机的矢量控制研究

作　者: 杨利
导　师: 庄圣贤
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力电子及电力传动
关键词: 变速恒频风力发电双馈感应发电机矢量控制模糊控制低电压穿越电流自抗扰控制器 Active Crowbar 直流卸荷单元
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文围绕双馈发电机(Doubly-Fed Induction Generator,简称DFIG)原理、相关控制技术及低电压穿越控制策略展开研究。分析了DFIG风力发电机的基本原理,建立了双馈电机的数学模型。总结了DFIG矢量控制技术的几种方案。设计出网侧变换器、转子侧变换器及功率的矢量控制技术原理图。分析了传统PI控制的优点和缺点,针对其缺点采用模糊控制,设计出模糊功率控制器。基于MATLAB软件建立了9MW的变速恒频双馈风力发电系统风电场的仿真模型,针对提出的控制策略对变速恒频双馈风力发电机组的并网运行特性进行了仿真研究,仿真结果表明了该系统所采用的控制技术可以实现有功功率和无功功率的解耦,并能够追踪最大风速,捕捉最大风能,有效的利用了风能并能保证该风力发电系统的稳定运行。通过MATLAB仿真证明了在风速为一随机变量的情况下,模糊控制技术能比PI控制更优越,能提供更好的阻尼,使系统的电压、功率更加稳定。总结了实现低电压穿越LVRT(Low Voltage Ride Through)的方案。针对传统控制技术不完善的方面,设计出转子电流自抗扰控制电路来实现LVRT。本文采用了在传统控制的基础上增加硬件电路的方案,即带有Active Crowbar和直流卸荷单元的组合保护电路。在MATLAB软件里建立了恒定风速下的双馈风力发电系统风电场的低电压穿越的电路模型。仿真结果证明了当电网发生故障如电压跌落时,该电路保持与电网相连,并向电网提供无功功率,相比Crowbar电路可以更好实现低电压穿越。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-16
  1.1 研究背景与意义  10
  1.2 国内外风力发电的研究现状  10-12
  1.3 风力发电的变速恒频技术简介  12-15
    1.3.1 变速恒频绕线式异步发电机的风力发电系统  12-13
    1.3.2 变速恒频鼠笼型异步发电机的风力发电系统  13
    1.3.3 变速恒频同步发电机的风力发电系统  13-14
    1.3.4 变速恒频双馈发电机的风力发电系统  14-15
  1.4 课题主要研究内容  15-16
第2章 DFIG风力发电机的原理  16-22
  2.1 DFIG风力发电机的工作原理  16-17
  2.2 风力机的模型  17-18
  2.3 DFIG在三相静止坐标系下的数学模型  18-20
  2.4 DFIG的稳态电路模型  20
  2.5 DFIG功率流向与能量关系  20-21
  2.6 本章小结  21-22
第3章 DFIG的矢量控制技术研究  22-34
  3.1 DFIG风力发电系统的数学模型  22-26
    3.1.1 三相电压型PWM整流器(VSR)的数学模型  22-24
    3.1.2 DFIG风力发电机机在d-q坐标下的模型  24-26
  3.2 传统矢量控制技术  26-30
    3.2.1 转子侧PWM变换器及其矢量控制  26-27
    3.2.2 电网侧PWM变换器及其矢量控制  27-29
    3.2.3 双馈发电机的功率控制  29-30
  3.3 DFIG的智能控制  30-32
    3.3.1 模糊功率调节器  30-31
    3.3.2 模糊化  31
    3.3.3 模糊机理和清晰化  31-32
  3.4 最大风能追踪控制  32
  3.5 本章小结  32-34
第4章 DFIG风力发电系统的仿真研究  34-44
  4.1 WTDFIG模块简介  34-35
    4.1.1 桨距角控制原理图  34-35
  4.2 DFIG系统仿真及分析  35-40
    4.2.1 DFIG(相量型)双馈风力发电系统仿真模型  35
    4.2.2 DFIG(相量型)发电机组仿真参数  35-36
    4.2.3 DFIG风力机组仿真运行实验  36-40
      4.2.3.1 实现有功功率和无功功率的解耦  36-40
      4.2.3.2 实现最大风能追踪控制  40
      4.2.3.3 实现风力发电机安全、便捷的并网  40
  4.3 传统矢量控制与模糊控制的仿真对比分析  40-43
  4.4 本章小结  43-44
第5章 DFIG风力发电机组的低电压穿越能力的研究  44-57
  5.1 引言  44
  5.2 风力发电机组LVRT能力的概述  44-45
  5.3 实现LVRT的方案  45-49
    5.3.1 转子侧CROWBAR保护电路  45-46
    5.3.2 直流侧保护电路  46
    5.3.3 改进型DFIG的低电压穿越控制器  46-49
      5.3.3.1 转子电流自抗扰控制电路  47-48
      5.3.3.2 DFIG风力发电系统LVRT控制电路  48-49
  5.4 实现LVRT的组合保护电路  49-51
    5.4.1 组合保护电路实现LVRT的原理  49-50
    5.4.2 无功功率控制策略  50-51
  5.5 仿真分析  51-56
    5.5.1 仿真电路  51-52
    5.5.2 组合保护电路与CROWBAR电路的仿真对比分析  52-56
  5.6 本章小结  56-57
结论  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-63
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  63

DFIG风力发电机的矢量控制研究

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