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变速恒频风力发电系统并网变流器控制策略研究

作　者: 王二峰
导　师: 张颖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 双馈感应发电机变速恒频变流器最大功率跟踪转矩观测器扩展卡尔曼滤波
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着工业化水平的提高，能源短缺和环境污染成为严重问题，人类社会面临可持续发展的危机，世界各国纷纷研究新能源技术来解决当前问题。在诸多新能源中，风力发电技术是目前技术最可靠、最具开发潜力的。本文以变速恒频双馈风力发电系统并网变流器为研究对象，主要对系统中网侧变流器的母线电压稳定控制和单位功率因数控制、双馈电机的变速恒频运行控制以及基于风力机转矩观测的最大功率跟踪控制方案进行深入的研究。首先，对风力发系统的关键控制策略和变流器的研发现状进行了总结和分析，深入探究了双馈风力发电机的变速恒频运行原理和动态数学模型，并且研究了风力机的空气动力学及最大功率跟踪的控制原理。其次，对双馈风力发电系统的网侧PWM变流器电网电压定向和电机侧变流器定子磁链定向的控制策略做了深入的探讨和分析，并搭建了双馈风力发电系统的MATLAB仿真模型，对其变流器的各种功能进行了全面的仿真实验和分析。最后，根据非线性系统滤波和最优估计理论，搭建了一种基于风力机转矩观测器的最大功率跟踪控制方案，提出了一种新的基于扩展卡尔曼滤波风力机转矩观测器的最大功率跟踪控制策略，无需风速检测，通过设计风力的转矩观测器来避免风力机转矩的直接测量，实现了最优速度给定的最大功率跟踪控制，而且可以实现无速度传感器运行，对风速扰动具有很强的滤波作用，并通过仿真验证了其可靠性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-12
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8
  1.2 风力发电系统及控制策略的发展  8-11
    1.2.1 风力发电的发展现状及趋势  8-9
    1.2.2 国内外风电变流器控制研究现状  9-10
    1.2.3 最大功率跟踪控制研究现状  10-11
  1.3 本文的主要工作及内容安排  11-12
第2章变速恒频双馈发电系统理论基础  12-21
  2.1 双馈发电机的变速恒频运行  12-13
  2.2 DFIG 的动态数学描述  13-17
  2.3 双馈发电机对并网变流器的要求  17-18
  2.4 基于单一能量效率准则的优化控制  18-20
  2.5 本章小结  20-21
第3章双馈风力发电系统仿模型搭建  21-40
  3.1 电网侧 PWM 变流器的矢量控制  22-28
    3.1.1 电网侧变流器的模型描述  22-24
    3.1.2 电网电压定向矢量控制  24-27
    3.1.3 仿真实验和分析  27-28
  3.2 双馈风力发电机变速恒频控制  28-39
    3.2.1 定子磁链定向矢量控制  29-31
    3.2.2 转子侧变流器仿真建模  31-33
    3.2.3 定子磁链观测器及其改进方案  33-34
    3.2.4 仿真实验和分析  34-39
  3.3 本章小结  39-40
第4章基于 EKF 转矩估计的 MPPT 控制  40-55
  4.1 基于转矩观测器的 MPPT 方案  40-41
  4.2 电机负载转矩的估计方法  41
  4.3 非线性系统 EKF 状态估计  41-43
    4.3.1 非线性系统 EKF 状态估计原理  42
    4.3.2 基于 EKF 的状态估计算法  42-43
  4.4 基于 EKF 的转速和负载转矩估计  43-48
    4.4.1 双馈电机状态空间模型的重构  43-46
    4.4.2 双馈电机状态方程的离散化  46-47
    4.4.3 转速和负载转矩估计过程  47-48
  4.5 仿真系统建模和分析  48-54
    4.5.1 观测器仿真模型的实现  48-49
    4.5.2 仿真实验及结果分析  49-54
  4.6 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-61
致谢  61

变速恒频风力发电系统并网变流器控制策略研究

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