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变速恒频双馈风力发电双PWM协调控制研究

作　者: 张琦玮
导　师: 蔡旭；金之俭
学　校: 上海交通大学
专　业: 高电压及其绝缘技术
关键词: 变速恒频双馈定子磁链最大风能捕获协调控制 dSPACE
分类号: TK89;TM76
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在能源短缺和环境污染日益严重的今天,作为可再生绿色能源的风能的开发利用具有十分重要的意义。对此,世界各国普遍重视并竟相大力发展,技术上推陈出新。其中以变速恒频双馈风力发电系统最为广泛,尤以绕线式转子双馈异步发电系统为代表。基于这种系统,可以通过交流励磁变换器实现最大风能捕获的变速恒频风力发电。相比传统的循环变流器,作为兆瓦级变速恒频风电机组电控系统的核心部件,双PWM变换器交流励磁电源的输入输出特性更好,电力谐波更低,调速调频范围更宽。转子侧变换器担负双馈感应发电机的矢量控制任务,基于转速给定实现最大风能捕获和定子输出无功的独立调节;网侧变换器通过直流环节完成转子及转子侧变换器与电网间的能量交换。为了减小直流母线电压波动,通常的做法是增大直流侧电解电容的容量,但其缺点是:体积大、笨重而且性能很不可靠,成为大容量励磁电源系统延长寿命的瓶颈。针对减小该滤波电解电容,本文提出了使用双PWM变换器协调控制策略。本文首先分析了变速恒频双馈电机运行调速原理及其动态数学模型、基于转速给定的最大风能捕获原理以及定子磁链定向矢量控制,在此基础上构建了其有功和无功功率解耦控制的双闭环串级PI控制方案。然后,分析了网侧三相PWM变换器在同步d、q坐标系中的数学模型,同样建立基于稳定直流母线电压和单位功率因数运行的双闭环串级PI控制方案。基于双馈电机转子侧和网侧变换器独立控制系统的缺点,提出负载电流前馈协调控制和改进的协调控制的双PWM控制策略。利用MATLAB/SIMULINK平台,对以上理论分析进行对比仿真研究,研究结果实现了变速恒频双馈风力发电系统的最大风能捕获,转速指令追踪和能量工作在不同状态下能量的双向流动。特别的,改进的协调控制策略具有明显的优越性,即在采用同样大小的滤波电容时,直流母线电压波动较小,电压调节更加迅速,具有十分重要的应用价值。提出了当电网电压跌落时,改进交流励磁定子磁链定向控制的控制策略,在原有模型基础上证实了这种改进的有效性和正确性。最后介绍了dSPACE在风力发电实验平台中的应用,包括软、硬件配置,以网侧变换器为目标,如何建立快速化目标原型的具体步骤,并给出实验过程和结果分析,为实现变速恒频双馈风力发电交流励磁变换器控制研究打下了现实基础。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 可在生能源与风力发电  10-11
  1.2 国外风力发电研究现状  11-12
  1.3 国内风力发电研究现状  12-13
  1.4 课题研究意义  13-15
  1.5 本文研究主要内容  15-17
第二章变速恒频双馈风力发电系统概述  17-25
  2.1 变速恒频双馈风力发电基本架构  17
  2.2 风力机风能吸收原理  17-19
  2.3 最大风能捕获原理  19-20
  2.4 变速恒频控制原理  20-21
  2.5 变速恒频风力发电机运行方式  21-23
  2.6 风力发电系统与电网的整合及它们之间的相互影响  23-24
  2.7 小结  24-25
第三章交流励磁双馈感应风力发电机调速原理和运行分析  25-30
  3.1 交流励磁双馈感应发电机等值电路和基本调速原理  25-26
  3.2 双馈发电机数学模型  26-28
  3.3 双馈电机能量流向分析  28-29
  3.4 小结  29-30
第四章双 PWM 交流励磁电源控制研究  30-58
  4.1 变速恒频双馈风力发电机用交流励磁电源选择  30-32
  4.2 三相PWM 变换器运行功能和特性  32-34
  4.3 双馈电机转子侧定子磁链定向控制  34-41
    4.3.1 基于最大风能捕获控制的转速和无功功率指令给定  36-37
    4.3.2 双馈电机转子侧控制器设计  37-41
  4.4 网侧PWM 运行控制  41-51
    4.4.1 网侧变换器数学模型  41-42
    4.4.2 网侧变换器控制策略研究  42-47
    4.4.3 直流母线电压参数设计  47-48
    4.4.4 直流母线电容参数设计  48-50
    4.4.5 三相交流进线电感参数设计  50-51
  4.5 变速恒频双馈发电机双PWM 变换器协调控制系统  51-56
    4.5.1 常规负载电流前馈协调控制技术  53-56
    4.5.2 改进电流前馈协调控制技术  56
  4.6 小结  56-58
第五章变速恒频双馈风力发电仿真模型设计与研究  58-84
  5.1 风力机模型及仿真  58-59
  5.2 双馈电机仿真模型  59
  5.3 基于转速给定定子磁链定向最大风能捕获模型及仿真  59-65
    5.3.1 电流内环仿真模型设计  60-61
    5.3.2 转速外环仿真模型设计  61
    5.3.3 定子磁链定向控制仿真  61-65
  5.4 网侧PWM 变换器控制模型及仿真  65-70
    5.4.1 电流内环仿真模型设计  65-66
    5.4.2 电压外环仿真模型设计  66
    5.4.3 网侧三相PWM 整流模型仿真  66-70
  5.5 变速恒频双馈风力发电系统协调控制仿真  70-76
  5.6 电网故障下变速恒频双馈风力发电系统的不间断运行仿真分析  76-83
    5.6.1 电网故障下变速恒频双馈风力发电系统仿真模型建立  77-78
    5.6.2 改进双馈电机数学模型  78-79
    5.6.3 改进定子磁链定向控制模型  79-80
    5.6.4 仿真研究  80-83
  5.7 小结  83-84
第六章 dSPACE 在风力发电实验变换器控制系统中的应用  84-93
  6.1 dSPACE 体系结构  84-85
  6.2 dSPACE 软件环境  85-86
  6.3 dSPACE 硬件  86-87
  6.4 交流励磁双PWM 变换器控制实时仿真框架  87-88
  6.5 网侧变换器控制系统快速控制原型(RCP）及控制试验  88-92
  6.6 小结  92-93
第七章结论与展望  93-96
参考文献  96-100
致谢  100-101
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  101-104

变速恒频双馈风力发电双PWM协调控制研究

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