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变速恒频双馈风力发电机组的控制研究

作　者: 张苏新
导　师: 张继勇; 夏扬
学　校: 扬州大学
专　业: 电机与电器
关键词: 双馈感应电机变速恒频双PWM变换器逆系统滑模变结构双dq,PI电流控制
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

风能是一种清洁无污染的新能源,其发展技术较成熟,最适合规模化开发。从国内外风力发电现状和前景看,风力发电的装机和发电容量越来越大,风力发电正朝着单机容量增加、海上风力发电、风电场总线监控、低电压穿越等新技术发展,其控制技术经历了从定桨距到变桨距,恒速恒频到变速恒频的发展变化。随着电力电子技术的发展和传统控制方法暴露出来的问题,近几年其变换器的新控制方法,也得到了一定的应用,包括滑模变结构、智能控制、逆系统控制方法等。本文首先分析了双馈感应电机(Double-fed Induction Generation, DFIG)的数学模型,通过DFIG对励磁变换器的要求,将交-交变换器,矩阵式交-交变换器、双PWM变换器进行了对比研究,确定采用双PWM励磁变换器。然后研究了DFIG实现变速恒频的工作原理,以及在不同工况下的能量流动。针对系统参数变化时,电网电压定向矢量控制的动态稳定性的不足,在研究网侧变换器的数学模型基础上,通过对逆系统和滑模变结构基本原理的分析,本文提出了基于逆系统方法的电流内环和滑模变结构的电压外环控制的数学模型,通过Matlab/simulink对两种控制方式在正常运行、负载变化、电压跌落时的仿真波形进行了对比,仿真结果及实验结果验证了本方法的可行性和优越性。对于变换器PWM的调制采用电压空间矢量,并研究了DSP的实现方法。接着介绍了风力机的工作原理和运行特性,研究了最大风能捕获原理。在DFIG的数学模型的基础上,提出了基于定子磁链定向的矢量控制,确定了以功率外环和电流电压内环控制的机侧变换器控制结构,通过仿真实现了有功功率、无功功率的解耦和最大风能捕获。在电网电压不平衡时,传统定子磁链定向矢量控制会出现定子侧有功功率、无功功率和电磁转矩的2倍频脉动,为此本文提出了在定子电压定向电机模型下的双dq,PI电流控制,能够消除其2倍频脉动,仿真结果验证了本方法的可行性。最后构建了以单DSP控制双PWM变换器为核心,西门子直流调速器控制直流电机模拟风速、PLC控制主电路通断、PC机作为监控和管理单元为辅的风力发电实验模拟系统。设计基于施耐德组态软件CITECTSCADA7.10的上位机监控界面,通过设置基本风、渐进风、阵风下得到的实验波形,验证了逆系统和滑模变结构能够实现网侧变换器的控制目标,定子磁链定向矢量控制能够实现机侧变换器的控制目标。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章绪论  10-19
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 风力发电现状与前景  11-14
    1.2.1 世界风力发电现状与前景  11-12
    1.2.2 我国风力发电现状与前景  12-14
  1.3 风力发电技术发展新态势  14-15
  1.4 风力发电系统的控制  15-17
    1.4.1 风电机组的控制要求与控制目标  15
    1.4.2 风力机组的控制技术  15-16
    1.4.3 变换器的控制技术  16-17
  1.5 本文主要研究内容  17-19
第二章双馈感应电机的励磁变换器和运行工况  19-34
  2.1 双馈感应电机的数学模型  19-26
    2.1.1 三相静止坐标系下的数学模型  19-22
    2.1.2 坐标变换  22-25
    2.1.3 两相同步旋转坐标系下的数学模型  25-26
  2.2 双馈感应电机的交流励磁变换器  26-30
  2.3 双馈发电机的工作原理  30-31
  2.4 双馈感应电机不同工况下的能量流动  31-33
    2.4.1 电动状态  31-32
    2.4.2 发电状态  32-33
  2.5 本章小节  33-34
第三章网侧PWM变换器的控制研究  34-52
  3.1 网侧PWM变换器的电压电流矢量关系  34-36
  3.2 网侧PWM变换器的数学模型  36-39
    3.2.1 三相静止坐标系下的数学模型  36-38
    3.2.2 旋转坐标系下的数学模型  38-39
  3.3 逆系统原理  39-41
    3.3.1 逆系统基本概念  39-40
    3.3.2 逆系统的解耦和控制  40-41
  3.4 基于逆系统和滑模变结构的网侧PWM变换器控制  41-46
    3.4.1 逆系统方法的网侧PWM变换器电流内环控制  41-44
    3.4.2 滑模变结构的网侧PWM变换器电压外环控制  44-46
  3.5 SVPWM的调制  46-51
    3.5.1 SVPWM的基本原理  46-50
    3.5.2 SVPWM的DSP实现  50-51
  3.6 本章小结  51-52
第四章机侧PWM变换器的控制研究  52-69
  4.1 风力机工作原理和运行特性  52-53
  4.2 最大风能捕获原理  53-54
  4.3 基于定子磁链定向的机侧PWM变换器控制  54-59
  4.4 三相电压不平衡下的DFIG控制策略  59-67
    4.4.1 三相电压不平衡的基本概念  59
    4.4.2 电网电压不平衡时DFIG的数学模型  59-65
    4.4.3 三相电压不平衡下的控制策略研究  65-67
  4.5 本章小结  67-69
第五章系统仿真  69-89
  5.1 网侧PWM变换器仿真  69-80
    5.1.1 网侧PWM变换器控制模型  69-73
    5.1.2 两种控制方式下的网侧PWM变换器仿真波形对比  73-80
  5.2 机侧PWM变换器仿真  80-88
    5.2.1 电压平衡时的机侧PWM变换器仿真模型  80-82
    5.2.2 机侧PWM变换器的仿真波形  82-84
    5.2.3 三相电网不平衡时两种控制方式的仿真波形对比  84-88
  5.3 本章小结  88-89
第六章实验平台的设计及实验结果分析  89-111
  6.1 双馈风力发电实验平台硬件总体介绍  89-91
  6.2 控制器选型  91-94
    6.2.1 TMS320F28335控制芯片  91-92
    6.2.2 FPGA辅助控制芯片  92-93
    6.2.3 直流伺服控制器  93-94
    6.2.4 PLC控制器  94
  6.3 TMS320F28335为核心芯片的控制电路  94-100
    6.3.1 最小控制系统图  95-96
    6.3.2 检测电路设计  96-98
    6.3.3 电源模块设计  98-99
    6.3.4 主控板和驱动板的隔离设计  99-100
    6.3.5 继电器驱动电路  100
  6.4 实验结果分析  100-109
    6.4.1 直流伺服系统的监控设计  100-102
    6.4.2 不同风速状态下发电系统的实验结果分析  102-109
  6.5 本章小结  109-111
第七章总结和展望  111-113
  7.1 总结  111-112
  7.2 进一步的工作  112-113
致谢  113-114
参考文献  114-120
作者攻读硕士期间发表的文章  120-121

变速恒频双馈风力发电机组的控制研究

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