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双馈异步风力发电系统改进直接功率控制策略研究

作　者: 尚磊
导　师: 孙丹
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 风力发电直接功率控制预测滑模变结构控制电网电压不平衡
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着能源危机的加剧以及环境问题的凸显,以风力为代表的可再生能源已成为社会重点关注的对象。基于双馈感应发电机(DFIG)的风力发电系统以其变换器容量小、安全可靠等优点目前已成为变速恒频风力发电技术的主流机型。长期以来矢量控制(VC)都是DFIG风力发电系统的主流控制策略,近年来直接功率控制策略(DPC)以其动态性能好、控制结构简单以及在电网电压不平衡条件下能同时保持有功、无功功率恒定等优点受到人们越来越多的关注。因此,本文针对理想电网电压以及不平衡的电网电压,对DFIG风力发电系统的励磁用背靠背式双PWM变换器的基础理论及控制策略进行了从理论分析到模型仿真,从模型仿真到实验研究的全方位、深入的研究。本文将DFIG风力发电系统分为网侧变换器和转子侧变换器单独进行研究。首先,给出了理想电网电压条件下网侧变换器和转子侧变换器矢量控制的简单理论分析以及具体实现方法。并简要介绍了电网电压的不平衡故障类型及在电网电压不平衡条件下系统采用直接功率控制策略时的表现。其次,在理想电网电压条件下,分别建立了网侧变换器和转子侧变换器在两相静止αβ坐标下的数学建模。并在此数学模型的基础上,给出了网侧变换器基于电网虚拟磁链定位的基于查询开关表的直接功率控制策略(LUT-DPC)的理论分析、开关表的确定以及具体实现方法,同时给出了转子侧变换器的基于定子磁链定位的LUT-DPC,并进行了仿真研究,通过对仿真结果的分析可得到LUT-DPC开关频率不恒定,电流谐波不集中,电流谐波含量较高,有功、无功功率的脉动较大等结论。随后针对LUT-DPC的缺点分别对网侧变换器和转子侧变换器提出了改进的直接功率控制策略。首先,在理想电网条件下,针对网侧变换器本文提出了预测直接功率控制策略(P-DPC)和滑模变结构直接功率控制策略(SMC-DPC).文中对P-DPC进行了详细的理论分析并给出了具体的实现方法,重点对P-DPC的矢量选择策略以及作用时间处理方法进行了深入研究,而后,对SMC-DPC进行了理论分析,证明了其控制系统的稳定性、抗扰动能力,并给出了具体的实现方法,仿真结果证明了P-DPC和SMC-DPC的正确性和有效性；其次,在理想电网条件下,针对转子侧变换器本文提出了SMC-DPC,对转子侧变换器SMC-DPC进行了理论分析、证明了控制系统的稳定性以及抗扰动能力,仿真研究结果也证明了转子侧变换器SMC-DPC方法的正确性和有效性；研究结果表明了本文中提出的改进直接功率控制策略良好的稳态性能和优秀的动态性能。虽然直接功率控制策略在电网电压不平衡条件下依然能够保持有功、无功功率恒定,但此时的电流畸变严重,富含谐波,这在某些场合具有应用前景,但是在发电领域中严重的电流谐波会污染电网,这也是电网规程所不能允许的,因此,本文研究了电网电压不平衡条件下的改进直接功率控制策略。本文建立了电网电压不平衡条件下网侧变换器和转子侧变换器在两相静止αβ坐标下的数学模型,然后,对电网电压不平衡条件对直接功率控制的影响进行了详尽的分析,之后分别针对网侧变换器和转子侧变换器提出了三个控制目标,即获得正弦、对称的电网电流(定子电流),获得恒定的无功功率和获得恒定的有功功率。然后,经过分析得到为完成上述三个控制目标所需的功率补偿指令,得到了无需提取负序电流的基于给定功率指令补偿的改进直接功率控制策略；仿真研究证明了该改进直接功率控制策略的正确性和有效性。最后,本文介绍了一台3kVA的硬件实验平台的设计,并给出了上述各控制算法的软件设计,通过实验研究验证了文中所述控制策略的正确性和有效性,并说明本论文所研究的直接功率控制策略在双馈风力发电中具有一定的工程应用前景。

全文目录

致谢  5-6
前言  6-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目次  11-15
图表目录  15-18
第1章绪论  18-34
  1.1 课题背景  18-21
    1.1.1 能源危机、环境危机  18
    1.1.2 可再生能源的开发与利用  18-19
    1.1.3 国内外风力发电发展状况  19-21
  1.2 风力发电拓扑结构  21-24
    1.2.1 风力机的功率调节  21-22
    1.2.2 变速恒频风力发电系统  22-24
  1.3 变速恒频双馈异步风力发电系统的现有控制策略  24-30
    1.3.1 双馈风力发电系统的现有控制策略  24
    1.3.2 理想电网条件下网侧变换器矢量控制  24-26
    1.3.3 理想电网条件下转子侧变换器矢量控制  26-28
    1.3.4 常见的电网故障类型  28-29
    1.3.5 电网电压不平衡条件下DFIG风力发电系统控制策略研究现状  29-30
  1.4 本论文的主要研究内容  30-31
  参考文献  31-34
第2章网侧变换器直接功率控制研究  34-54
  2.1 引言  34-35
  2.2 网侧变换器数学模型  35-37
  2.3 网侧变换器直接功率控制  37-46
    2.3.1 基于查询开关表的直接功率控制  37-40
    2.3.2 预测直接功率控制  40-43
      2.3.2.1 P-DPC原理  40-41
      2.3.2.2 P-DPC矢量选择策略  41-43
      2.3.2.3 P-DPC合理作用时间处理  43
    2.3.3 基于滑模变结构的直接功率控制  43-46
  2.4 仿真研究  46-51
    2.4.1 网侧并网逆变器仿真研究  47-49
    2.4.2 网侧整流器仿真研究  49-51
  2.5 本章小结  51
  参考文献  51-54
第3章转子侧变换器直接功率控制策略研究  54-70
  3.1 引言  54-55
  3.2 转子侧变换器数学模型  55-57
  3.3 转子侧变换器直接功率控制  57-64
    3.3.1 基于查询开关表方式的直接功率控制  57-61
    3.3.2 基于滑模变结构的直接功率控制  61-64
  3.4 仿真研究  64-68
    3.4.1 转子侧变换器稳态仿真研究  64-66
    3.4.2 转子侧变换器动态仿真研究  66-68
  3.5 本章小结  68
  参考文献  68-70
第4章不平衡电网条件下直接功率控制策略研究  70-92
  4.1 引言  70-71
  4.2 不平衡电网条件下网侧变换器直接功率控制策略研究  71-79
    4.2.1 不平衡电网条件下网侧变换器数学模型  71-73
    4.2.2 不平衡电网对网侧变换器直接功率控制的影响  73-75
    4.2.3 不平衡电网对网侧变换器SMC-DPC的改进策略  75-78
    4.2.4 不平衡电网条件下网侧变换器SMC-DPC仿真研究  78-79
  4.3 不平衡电网条件下转子侧变换器直接功率控制策略研究  79-88
    4.3.1 不平衡电网条件下转子侧变换器数学模型  79-83
    4.3.2 不平衡电网电压对转子侧变换器直接功率控制的影响  83-84
    4.3.3 不平衡电网对转子侧变换器SMC-DPC的改进策略  84-87
    4.3.4 不平衡电网条件下转子侧变换器SMC-DPC仿真研究  87-88
  4.4 本章小结  88-89
  参考文献  89-92
第5章 DFIG风力发电系统实验研究  92-118
  5.1 DFIG风力发电系统硬件实验平台设计  92-95
    5.1.1 网侧变换器硬件实验平台  92-94
    5.1.2 转子侧变换器硬件实验平台  94-95
  5.2 DFIG风力发电系统软件设计  95-102
    5.2.1 网侧变换器软件设计  95-101
      5.2.1.1 网侧变换器VC软件设计  95-97
      5.2.1.2 网侧变换器LUT-DPC  97-98
      5.2.1.3 网侧变换器P-DPC软件设计  98-100
      5.2.1.4 网侧变换器SMC-DPC软件设计  100-101
    5.2.2 转子侧变换器软件设计  101-102
      5.2.2.1 转子侧变换器VC软件设计  101
      5.2.2.2 转子侧变换器LUT-DPC软件设计  101
      5.2.2.3 转子侧变换器SMC-DPC软件设计  101-102
    5.2.3 不平衡电网条件下DFIG风力发电系统软件设计  102
  5.3 DFIG风力发电系统实验结果  102-116
    5.3.1 网侧变换器实验结果  102-107
      5.3.1.1 并网逆变器实验结果  102-105
      5.3.1.2 网侧整流器实验结果  105-107
    5.3.2 转子侧变换器实验结果  107-112
      5.3.2.1 转子侧变换器稳态实验结果  107-109
      5.3.2.2 转子侧变换器动态实验结果  109-112
    5.3.3 不平衡电网条件下实验结果  112-116
      5.3.3.1 不平衡电网条件下网侧变换器实验结果  112-114
      5.3.3.2 不平衡电网条件下转子侧变换器实验结果  114-116
  5.4 本章小结  116-117
  参考文献  117-118
第6章总结与展望  118-120
  6.1 本文的主要结论与创新点  118-119
  6.2 后续研究工作展望  119-120
攻读硕士学位期间研究成果  120

双馈异步风力发电系统改进直接功率控制策略研究

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