无源性的变速恒频双馈风力发电机控制仿真研究毕业设计(论文).doc

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.79M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第一章绪论

1.1 课题的背景

1.2 风力发电技术的研究现状和发展趋势

1.2.1 国内风力发电历史和现状

1.2.2 风力发电发展方向和趋势

1.3 变速恒频风力发电系统简介

1.3.1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

1.3.2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统

1.3.3 同步发电机变速恒频发电系统

1.3.4 双馈发电机变速恒频风力发电系统

1.4 本文主要研究内容

第二章风力机和双馈异步电机运行分析

2.1 风力机的运行特性

2.2 定浆距情况下风力发电系统最大风能追踪机

2.3 双馈异步电机基本原理

2.5 双馈异步电机稳态运行分析

2.5.1 双馈电机稳态等效电路

第三章矢量控制技术研究

3.1 空间矢量的概念

3.2 矢量控制的基本思路

3.3 矢量坐标变换及变换矩阵

3.3.1 旋转坐标系与静止坐标系间的变换

3.3.2 三相与两相坐标系之间的变换

3.4 本章小结

第四章变速恒频双馈电机的控制策略

4.1 双馈异步发电机的控制策略

4.2 变速恒频双馈风力发电机用交流励磁电源分析

4．3 定子侧PWM变换器及其控制

4.4 转子侧PWM变换器及其控制

4.4.1 DFIG在两相同步旋转坐标系下的数学模型

4.4.2 DFIG定子磁链定向矢量控制

4.4.3 电网不平衡条件下DFIG的控制策略

4.5本章小结

第五章无源性的变速恒频双馈风力发电系统仿真研究

5.1 变速恒频双馈风力发电机组仿真模型

5.1.1 风力机仿真模型

5.1.2 双PWM变换器矢量控制系统仿真模型

5.1.3 信号反馈系统仿真模型

5.1.4 变速恒频双馈风力发电系统仿真模型

5.2 变速恒频双馈风力发电机组仿真运行分析

5.2.1仿真系统参数

5.3 本章小结

第六章设计总结

参考文献

外文翻译

原文

译文

毕业论文题目无源性的变速恒频双馈风力发电机控制仿真研究学生姓名学号专业班级指导教师学院答辩日期

大学毕业论文摘要变速恒频发电技术是一种新型高效的发电技术，在风力发电领域有着良好的应用前景。本文分析了风力机运行特性及其最大风能追踪原理，对双馈电机进行数学分析，给出了功率在双馈电机中的流动图解；针对双馈电机转子能量双向流动的要求，选择了具有能量双向流动能力的双PWM交流励磁用变频器，研究了基于定子磁场定向的变速恒频双馈风力发电机的控制策略，实现了最大风能追踪，分析了电网不平衡条件下双馈电机的控制策略；基于MATLAB软件建立了变速恒频双馈风力发电机组的仿真模型，针对提出的控制策略对变速恒频双馈风力发电机组的并网运行特性进行了仿真研究，仿真结果表明了该控制策略的正确性和可行性。关键词：变速恒频；风力发电；双馈发电机；双 PWM 励磁变频器 I

大学毕业论文 Abstract Variable—speed constant-frequency (VSCF) operation is a new high efficient technology for power generation，which has a good future in the field of wind power generation ． This paper analyzed the performance characteristic of wind turbine and the principle of optimum utilization of wind-energy，analyzed the mathematical model of doubly-fed induction generator(DFIG)，a schematic is given about the power flow in generator ． It selected the dual PWM converter aimed at the demand of rotor energy bidirectional flow ， the control strategy for VSCF doubly—fed wind power generator based on Stator flux orientation is proposed ， realized the optimum utilization of wind-energy ， analyzed the control strategy of DFIG for unbalanced supply．Using MATLAB the simulation model of VSCF is built，the simulation of the interconnected performance characteristic of VSCF under the proposed control strategy is conducted ． Simulation results show that the proposed control strategy is reasonable and feasible． KEYWORDS ： Variable—speed constant—frequency ， wind power generation ， doubly-fed generator,dual PWM excitation frequency converter II

大学毕业论文目录第一章绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 课题的背景 .............................................................................................................. 1 1.2 风力发电技术的研究现状和发展趋势 ...............................................................1 1.2.1 国内风力发电历史和现状 ........................................................................ 1 1.2.2 风力发电发展方向和趋势 ........................................................................ 2 1.3 变速恒频风力发电系统简介 ................................................................................3 1.3.1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 ..........................................4 1.3.2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统 ..........................................4 1.3.3 同步发电机变速恒频发电系统 ................................................................4 1.3.4 双馈发电机变速恒频风力发电系统 .......................................................5 1.4 本文主要研究内容 ................................................................................................. 6 第二章风力机和双馈异步电机运行分析 ........................................................................ 8 2.1 风力机的运行特性 ................................................................................................. 8 2.2 定浆距情况下风力发电系统最大风能追踪机 ............................................... 10 2.3 双馈异步电机基本原理 ...................................................................................... 12 2.5 双馈异步电机稳态运行分析 ..............................................................................16 2.5.1 双馈电机稳态等效电路 .......................................................................... 16 第三章矢量控制技术研究 ................................................................................................ 19 3.1 空间矢量的概念 ................................................................................................... 19 3.2 矢量控制的基本思路 ...........................................................................................19 3.3 矢量坐标变换及变换矩阵 ..................................................................................23 3.3.1 旋转坐标系与静止坐标系间的变换 .....................................................23 3.3.2 三相与两相坐标系之间的变换 ............................................................. 24 3.4 本章小结 ................................................................................................................ 25 第四章变速恒频双馈电机的控制策略 .......................................................................... 26 4.1 双馈异步发电机的控制策略 ..............................................................................26 4.2 变速恒频双馈风力发电机用交流励磁电源分析 ........................................... 29 4．3 定子侧 PWM 变换器及其控制 .......................................................................32 4.4 转子侧 PWM 变换器及其控制 .......................................................................... 35 4.4.1 DFIG 在两相同步旋转坐标系下的数学模型 ...................................... 35 4.4.2 DFIG 定子磁链定向矢量控制 ................................................................ 37 4.4.3 电网不平衡条件下 DFIG 的控制策略 ................................................. 39 4.5 本章小结 ................................................................................................................. 42 III

大学毕业论文第五章无源性的变速恒频双馈风力发电系统仿真研究 ............................................ 43 5.1 变速恒频双馈风力发电机组仿真模型 ............................................................ 43 5.1.1 风力机仿真模型 ....................................................................................... 43 5.1.2 双 PWM 变换器矢量控制系统仿真模型 .............................................44 5.1.3 信号反馈系统仿真模型 .......................................................................... 45 5.1.4 变速恒频双馈风力发电系统仿真模型 ................................................ 46 5.2 变速恒频双馈风力发电机组仿真运行分析 ....................................................47 5.2.1 仿真系统参数 .............................................................................................47 5.3 本章小结 ................................................................................................................ 53 第六章结论与展望 .............................................................................................................54 参考文献 ................................................................................................................................ 56 外文翻译 ................................................................................................................................ 58 原文 ................................................................................................................................ 58 译文 ................................................................................................................................ 71 第七章致谢 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 IV

大学毕业论文第一章绪论 1.1 课题的背景近年来，全球风电技术发展迅猛，风电机组的可靠性大大提高，发电成本显著降低，逐步接近常规能源发电的水平。风电机组的单机容量逐步加大，控制技术从早期的失速调节向变速恒频发展；传动技术从齿轮箱的结构发展到直接驱动。世界上风电技术的开发，近十年来取得了惊人的进步，其中最显著的是风力发电机的大型化。目前，中大型风力发电机组已在世界上四十多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率高于其他电源的趋势仍在继续。其中兆瓦级风电机组已成为风电市场中的主流。而这其中的并网运行是 20 世纪 80 年代兴起的一项新能源技术，一开始就受到世界各国的高度重视，因而迅速实现了商品化、产业化，特别是计算机与控制技术的飞速发展，风力发电控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展。我国风力发电新增装机速度仍将继续保持较快增长，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。因此风力发电机尤其是变速恒频双馈风力发电机的研究尤为重要。 1.2 风力发电技术的研究现状和发展趋势风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。风电机组中的风力机和发电机是其中的关键部件。风电机组中配备不同类型的发电机，并辅以相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的风力发电系统。 1.2.1 国内风力发电历史和现状我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。据专家预测，我国风能储量大，分布面广，全国大约有2/3的地区为多风地带。全年平均风速3m/s及以上的时间达3000—5000h。平均风能密度为100w/m2，可开发的风能资源约2．53亿KW。我国风力发电从20世纪80年代开始起步。1994年并网型风力发电机组装机30MW，年发电量7500万KWh；到2000年底，并网型风力发电机组容量己达344 MW，年发电量约8.6亿KWh，同时还有13万台小型独立运行的风力发电机在广大牧区、海岛、 1

大学毕业论文有风无电的边远地区运行；到2003年底，全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567MW(以完成整机吊装作为统计依据)。风力发电作为我国电力结构中新型分布式供电系统，以其灵活、实用的方式，为经济发展注入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效益。国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果，其中包括“八五”期间开发成功的200kW/250KW风力发电机组和在“九五”期间开发的600KW风力发电机组，并成功地开发了并网型风力发电机组的当地控制和远程控制系统，使大型风力发电机组的一项关键技术得到了解决。国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发电机、齿轮箱、机舱、主轴、塔架、偏航系统、液压系统等，为我国大型风力发电机组国产化奠定了基础。我国己经开始了MW级风力发电机组的研发上作，这是我国自主研制开发的最大容量风力发电机组，将填补中国风力发电领域的空白。2006年中国安装l347MW的风电机，两倍于其总的装机容量。上年数字增长了70％，这使得中国装机容量达到2604MW，成为世界第六大市场。 1.2.2 风力发电发展方向和趋势风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术主要有以下几种： 1．定浆距调节风电机技术。这种技术是典型的丹麦风电技术的核心，其基本原理是利用浆叶翼型本身的失速特性。在高于额定风速的条件下，气流的攻角增大到失速条件，使浆叶的表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。其优点是：调节简单可靠，控制可大大简化；其缺点是：浆叶、塔架等主要受力部件的受力增大。现在国际上600KW 以下的机组，大部分仍在使用该技术，如MFG．MICON，BONUS，NORDEX等著名厂商都采用该技术。 2．变浆距调节风电机技术。由于自然界中的风速变化快且无规律，因此一般的调节方法跟不上因风速变化带来的输出功率的变化，造成功率变化极大，而这种输出功率的变化将增加机组的负荷，对电网冲击很大。最典型的变浆距调节风电机技术Vestas技术，采用高滑差发电机，相当于在传动链中增加了一个弹性环节，使输出功率的变化大大 2

大学毕业论文减少。变浆距调节风电机技术的优点是：浆叶受力较小，因此风电机的结构部件可做得比较轻巧；其缺点是：结构复杂。 3．主动定浆距调节技术。这种方法是上述定浆距调节技术和变浆距调节技术两者的结合。目前，国际上几大风电机制造商，如MFG．MICON，BONUS等，在大于600KW风电机上均采用此技术。这种方法的主要特点是：浆叶采用定浆距失速调节型，调节系统采用变浆距调节系统。输出功率在额定功率以下时，调节方式与变浆距方式相同；输出功率在额定功率以上时，调节方式与定浆距方式相同。主动定浆距调节技术的主要优点是：输出功率变化小、较平稳。 4．变速恒频技术。理论上来说这种技术是最优化的调节方式。目前使用变速恒频技术的制造商主要是德国的Enercon、荷兰的Largeway。这种调节方法在输出功率低于额定功率之前使效率达到最高。但当输出功率大于额定功率，即风速大于额定风速后，其调节方式将与变浆距方式相同。恒频装置价格昂贵，使这种技术只在德国大量使用，而其他国家很少采用的主要原因。 1.3 变速恒频风力发电系统简介变速恒频发电是 20世纪 70年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景： 1．风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源，传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。 2.变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三项低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解耦控制。控制有功功率可调节发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 3.采用变速恒频发电技术，可是发电机组与电网之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。 3

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