基于异步电机发电的非并网小型风电系统研究

论文摘要

风电事业在全球范围内方兴未艾,目前国际上的研究热点主要是大型并网风力发电系统。与大型并网风电系统相比,独立运行小型风电系统更加适合应用于分布式发电等场合,研究可靠性更高、价格更廉的小型风力发电系统,对于增强市场竞争能力、加速风力发电的普及和应用,具有重要意义。笼型异步电机结构简单、耐用、成本低、体积小、控制灵活、便于维护,在发生短路故障时可以灭磁保护,容易满足风电系统高可靠、免维护的性能要求。异步电机作为一种成熟的电机,与新兴的电力电子装置共同构成的高性能发电系统,在电机本体结构设计、电路拓扑、控制策略方面值得深入研究。但国内外关于风力异步发电机设计的文献还十分匮乏,一般均参照电动机程序设计,按电动机程序设计的异步发电机的运行工作点不佳;在传统控制策略之下,异步发电机存在低风速段能量转换效率低的不足。本课题对风力异步发电机的设计方法和控制策略做了针对性的研究。结合分布式发电系统对发电机的特殊要求,在比较电动和发电两种工作状态异同点的基础上,提出了专门的低压小功率风力直驱笼型异步发电机电磁设计方法;为提升异步发电机在低风速段的能量转换效率,研究了一种效率优化控制方法:首先建立了考虑铁损耗的异步发电机的数学模型,在此基础上完成了风力异步发电系统的仿真建模;研究总结了国内外关于异步电动机效率最优控制的成果,在最大风能追踪控制的基础上,提出了风力异步发电机的效率最优控制策略。在以Freescale的DSP56F8037为核心的控制平台上做了深入的实验研究,文中对整个系统架构以及软硬件的实现都做了详细的介绍。最终的实验结果表明,本文提出的基于转差调节的风力异步发电机最优磁通控制策略,可以明显提高电机的能量转换效率,特别是提高在中、低风速段的能量转换效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 能源危机与风力发电综述
• 1.1.1 能源危机及我国发展风力发电的必要性
• 1.1.2 风力发电技术综述
• 1.2 非并网小型风力发电系统总体结构
• 1.2.1 风力机
• 1.2.2 风轮
• 1.2.3 限速装置
• 1.2.4 调向装置
• 1.2.5 塔架
• 1.2.6 发电机
• 1.2.7 蓄能装置
• 1.2.8 电力电子接口
• 1.3 非并网小型风力异步发电系统
• 1.3.1 风力异步发电机本体设计的需求
• 1.3.2 风力异步发电机的效率优化控制策略
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 非并网小型风力异步发电系统的仿真建模
• 2.1 系统部件建模
• 2.1.1 风力机的数学模型
• 2.1.2 异步发电机的数学模型
• 2.2 控制策略
• 2.3 仿真条件与仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力异步发电机的效率最优控制
• 3.1 最大风能追踪控制
• 3.2 异步电动机的效率优化控制策略
• 3.2.1 异步电机的损耗分析
• 3.2.2 基于铜损等于铁损的效率最优控制
• 3.2.3 基于转差率的效率最优控制
• 3.2.4 基于模型的最优励磁控制
• 3.3 异步发电机的效率最优控制
• 3.3.1 异步发电机的电压泵升原理
• 3.3.2 异步发电机效率最优控制策略
• 3.3.3 最优磁通计算与仿真建模
• 3.4 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 风力异步发电机的设计
• 4.1 风力直驱笼型发电机性能指标的提出
• 4.1.1 用电设备所要求的发电机的基本性能指标
• 4.1.2 风力直驱发电系统对发电机提出的技术要求
• 4.2 风力直驱异步发电机的设计
• 4.2.1 电动、发电两种工作状态的比较
• 4.2.2 电机额定参数的确定
• 4.2.3 电机主要尺寸的确定
• 4.2.4 磁路计算及其它
• 4.3 设计结果
• 4.4 改造设计风力异步发电机
• 4.4.1 风力异步发电机的简易改造设计
• 4.4.2 实验用风力异步发电机
• 4.5 本章小结
• 第五章 风力异步发电系统的软硬件实现
• 5.1 硬件电路总体构架
• 5.2 系统硬件电路设计
• 5.2.1 控制芯片
• 5.2.2 主功率电路
• 5.2.3 主电路驱动及保护电路
• 5.2.4 采样调理电路
• 5.2.5 联机通信
• 5.2.6 辅助电源
• 5.3 系统的软件实现
• 5.3.1 程序的整体结构
• 5.3.2 基于飞思卡尔56F8037DSP 的软件实现
• 5.3.3 系统标幺化
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验与分析
• 6.1 实验条件
• 6.2 系统软硬件实验
• 6.2.1 蓄电池操作
• 6.2.2 励磁方向调整
• 6.3 实验结果及分析
• 6.3.1 建压实验
• 6.3.2 风速变化实验
• 6.3.3 加载、卸载实验
• 6.3.4 效率优化实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要研究工作总结
• 7.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 1
• 附录 2
• 附录 3
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文