风力发电双馈电机变流系统的研究

摘要

新能源的利用为解决日益突出的能源和环境问题提供了有效的途径，风能作为一种清洁、无污染、可再生能源受到越来越多的关注，最近十几年风力发电取得了迅速的发展。本文主要对风力发电中的关键技术之一，双馈异步发电机的变流系统进行了研究。
　　本文首先介绍了用于风力发电的几种主要发电机机型，重点分析了双馈异步发电机运行原理，双馈异步发电机变流系统的拓扑结构和控制策略。其次推导了双馈异步发电机在三相静止坐标系下的数学模型，利用坐标变换理论推导出两相同步旋转坐标系下的数学模型，建立了双馈异步发电机的等值电路，并分析了双馈异步发电机在不同转速下的能量流动关系。
　　本文重点对双馈异步发电机的矢量控制进行了研究，推导了基于定子磁场定向的有功功率P和无功功率Q的解耦控制。基于风力机特性给出了P、Q的最大功率追踪的参考模型。基于解耦控制和最大功率模型，搭建了整个变流系统的控制模型。提出了空载并网的闭环控制策略，并搭建了空载并网的闭环控制模型。对变流系统的关键问题之一，低电压穿越技术进行了介绍和分析，详细推导了电压跌落情况下的定转子绕组中电流的动态过程。
　　本文主要搭建了三个仿真模型，对提出的控制策略进行了仿真验证，分别为：最大功率追踪的矢量控制模型、空载并网模型、低电压穿越模型。基于三个仿真模型对控制策略，控制参数进行了调整，均得到了理想的仿真结果，并对仿真结果进行了分析。
　　在实验研究方面，本文搭建了一个额定功率为3.7KW的双馈异步发电机实验平台，以变频器驱动一台异步电动机模拟风力机，以一台绕线式异步电机模拟双馈发电机。对控制电路部分和功率电路部分进行了设计和电路板的制作，控制部分基于DSP2812和CPLD，功率部分基于智能功率模块IPM。编制了网侧和机侧的控制程序，并进行了初步的调试。

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第一章 绪 论

§1-1 课题研究的背景和意义

§1-2 风力发电系统常用机组类型

§1-3 双馈感应发电机的变流系统研究现状

§1-4 本文的主要研究内容

第二章 双馈发电机的数学模型和功率流动分析

§2-1 DFIG三相静止ABC坐标系下的数学模型

§2-2 常用的坐标变换

§2-3 DFIG两相旋转dq坐标系下的数学模型

§2-4 功率流动分析

第三章 双馈电机变流系统的控制策略

§3-1 风力机特性

§3-2 基于磁场定向的双馈发电机P、Q解耦控制

§3-3 双馈发电机的空载并网控制

§3-4 交流励磁变速恒频风力发电系统的仿真

第四章 低电压穿越的研究

§4-1 低电压穿越导则

§4-2 DFIG低电压穿越的方法

§4-3 低电压穿越条件下的电机暂态过程

§4-4 低电压穿越的仿真研究

第五章 双馈电机的实验平台

§5-1 实验系统的构成

§5-2 硬件电路的设计

§5-3 软件系统的设计

§5-4 实验结果与分析

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果