矩阵变换器励磁的变速恒频双馈风力发电系统研究及仿真

论文摘要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题,风能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染、廉价的“绿色能源”已成为可再生能源领域研究的重要课题。提高风力发电能力和技术水平对改善我国能源结构,构建能源安全体系、建设和谐社会具有重大意义。本文在分析和研究国内外相关文献基础上,根据国内外风力发电技术的研究现状,对变速恒频双馈风力发电机的励磁控制技术进行了系统深入的研究。分析研究了变速恒频双馈风力发电系统的基本原理,双馈电机亚同步、同步及超同步三种工作状态,以及功率在变速恒频（Variable Speed Constant Frequency简称VSCF）双馈风力发电系统中的流动规律。然后研究了风力机和双馈电机的基本特点和运行原理,寻找最大风功率点跟踪策略。运用定子磁链定向矢量控制的分析方法,推导出定子磁链定向的二相同步旋转坐标系下的双馈电机（Doubly-Fed Induce Generator,简称DFIG）数学模型,有效反映了转子励磁电流的幅值、相位、频率对输出功率的控制作用。转子电流分解为励磁分量和转矩分量,并加入转子电流前馈补偿量实现了定子有功、无功功率的解藕控制和最大风功率跟踪策略。针对风力发电系统多变量、非线性、大惯性等特点,研究了模糊自适应PI控制器。通过各种变频器优缺点的对比分析,本文采用矩阵变换器作为变速恒频双馈风力发电系统的转子励磁装置。第三章详细论述了矩阵变换器工作原理和控制方法,并选择了空间矢量调制（Space Vector Modulation简称SVM）法作为矩阵变换器的调制策略。详细推导了SVM法的数学模型。最后对矩阵变换器进行了仿真研究,仿真结果说明矩阵变换器具有较好的变频控制性能。根据定子磁链定向坐标系下的数学模型设计系统控制框图,绘制了系统仿真流程图,对本文所提出的控制算法和控制技术的可行性,以及当风速变化时,系统有效跟踪最大风功率点和电网侧整功率因数控制的能力,用C语言编写系统仿真程序,MATLAB调用仿真数据绘制出仿真曲线。结果表明风速变化时,系统有效的跟踪了最大风功率点,定子侧有功、无功功率实现了解藕控制,说明了本系统实现了变速恒频系统的控制目标,所提的控制方案是可行的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外风力发电的现状与趋势
• 1.2.1 风力发电系统概况
• 1.2.2 变速恒频风力发电的特点及研究现状
• 1.3 双馈发电机励磁控制技术的发展
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 2 交流励磁的变速恒频双馈风力发电系统
• 2.1 交流励磁的变速恒频双馈风力发电系统的构成及运行原理
• 2.1.1 VSCF 双馈风力发电系统结构
• 2.1.2 VSCF 双馈风力发电系统运行原理
• 2.2 风力机基本理论
• 2.2.1 风力机特性分析
• 2.2.2 定桨距风力机最大风能捕获原理
• 2.2.3 风力机的仿真
• 2.3 双馈电机运行原理及特点
• 2.4 功率在风力发电系统中的流动
• 2.5 小结
• 3 矩阵变换器
• 3.1 矩阵变换器基本理论
• 3.1.1 三相－三相矩阵变换器的拓扑结构
• 3.1.2 矩阵变换器的双向开关安全换流技术
• 3.1.3 矩阵变换器变频原理及开关函数传递矩阵
• 3.1.4 矩阵变换器的控制策略综述
• 3.2 三相－三相矩阵变换器的空间矢量调制法（SVM）原理
• 3.2.1 开关矢量描述
• 3.2.2 开关矢量选择
• 3.2.3 开关矢量时间间隔计算
• 3.3 矩阵变换器仿真分析
• 3.4 小结
• 4 双馈风力发电系统的控制方法研究
• 4.1 矢量控制分析
• 4.1.1 矢量控制的基本原理
• 4.1.2 坐标系间的变换
• 4.2 双馈电机矢量控制
• 4.2.1 双馈电机在三相静止坐标系下的数学模型
• 4.2.2 双馈电机在二相旋转坐标系下的数学模型
• 4.2.3 定子磁链定向下的矢量控制
• 4.2.4 定子磁链的观测方法
• 4.2.5 定子磁链定向坐标系下双馈电机的仿真分析
• 4.3 双馈风力发电系统模糊自适应PI 控制器设计
• 4.3.1 PI 控制器
• 4.3.2 模糊自适应PI 控制器的结构
• 4.3.3 隶属度函数的确定
• 4.3.4 模糊规则的建立
• 4.3.5 模糊量的精确化
• 4.4 双馈风力发电系统的模糊自适应PI 矢量控制框图
• 4.5 小结
• 5 风力发电系统仿真研究
• 5.1 系统仿真程序流程图
• 5.2 系统仿真结果及分析
• 5.2.1 双馈电机机械特性及功率仿真结果
• 5.2.2 系统电流、电压量调节特性
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文所做工作的总结
• 6.2 本文后续工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录