基于风力机模拟的双馈风力发电模拟系统机侧控制研究

摘要

风能是一种清洁且可再生的能源,在全球性能源危机以及环境污染严重的今天,对风能的利用与开发的必要性就显得越来越重要。相比恒速恒频的风力发电系统,变速恒频的风力发电系统具有风能利用率高的特点,现阶段在风力发电研究领域已经成为研究的热点。伴随着风力发电技术研究的深入,通过运用电动机对风力机进行模拟,在实验室条件下搭建风力发电系统的模拟平台对风力发电进行研究也越来越受到重视。本课题针对基于风力机模拟的变速恒频双馈风力发电模拟系统机侧控制进行研究。
　　首先课题对风力机模拟进行了研究,通过将交流异步电动机的机械特性与风力机特性进行对比,确定了运用异步电机对风力机进行模拟的方案,在此基础上课题对应用于异步电机的直接转矩控制进行了研究,针对传统直接转矩控制转矩脉动大的问题,课题采用了在每个采样周期里向有效空间电压矢量中选择性插入零矢量的方式对其转矩脉动问题进行改进,通过对比仿真,得到了较好的改进效果,并将改进的直接转矩控制应用于风力机的模拟。
　　针对双馈风力发电系统机侧并网控制进行了研究,在对现有并网控制的控制方式以及控制策略的研究的基础之上，课题最终采用基于定子电压矢量定向的负载并网控制策略对双馈风力发电系统机侧并网控制进行研究。对传统应用PI调节器的控制系统进行了分析,通过分析得到了PI调节器不能完全消除转子电流中的交流偏差量这一结论,之后针对PI调节器的这一问题,课题将比例-谐振(PR)调节器应用于基于定子电压矢量定向的负载并网控制系统,通过对比仿真,可以看出应用PR调节器的控制系统可改善发电系统的并网效果。
　　对双馈风力发电系统机侧最大功率追踪控制策略进行了研究。针对现有的双馈风力发电系统机侧最大功率追踪控制策略的直接速度控制(DSC)方式以及间接速度控制(ISC)方式,课题分别进行了分析与仿真,通过对比得出了两种控制方式各自的优缺点,在此基础之上，课题采用双模控制的思想,通过设计切换规则,将DSC与ISC两种控制方式的优势进行了结合,并将这种双模控制方式应用于双馈风力发电系统机侧最大功率追踪控制。通过仿真分析,可以看出本课题设计的双模控制系统可对双馈风力发电系统机侧最大功率追踪控制的控制效果进行改进。

目录

基于风力机模拟的双馈风力发电模拟系统机侧控制研究

RESEARCH ON ROTOR-SIDE CONTROL OF DOUBLY-FED WIND POWER SIMULATION SYSTEM BASED ON WIND TURBINE SIMULATION

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 风力机模拟的研究现状

1.2.2 风力发电系统励磁变换器励磁控制的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 双馈风力发电系统基础理论分析

2.1 风力机的特性及其分析

2.2 双馈式感应发电机的等效电路与能量流动分析

2.3 双馈式感应发电机的数学模型

2.3.1 三相静止坐标系下的数学模型

2.3.2 两相旋转坐标系下的数学模型

2.4 本章小结

第3章 双馈风力发电模拟系统的风力机模拟

3.1 异步电机的风力机模拟实现及其控制策略选取

3.2 传统直接转矩控制分析

3.2.1 异步电机的数学模型

3.2.2 空间电压矢量及其表示方式

3.2.3 空间电压矢量对定子磁链以及电磁转矩的作用

3.2.4 传统直接转矩控制的基本原理

3.3 改进的直接转矩控制方法研究

3.3.1 传统直接转矩控制的转矩脉动产生原因分析

3.3.2 对直接转矩控制方法的改进

3.4 仿真分析与研究

3.4.1 改进直接转矩控制方法的仿真

3.4.2 应用改进直接转矩控制的风力机模拟系统仿真

3.5 本章小结

第4章 双馈风力发电模拟系统机侧并网控制研究

4.1 并网控制方式与策略的分析与选择

4.1.1 并网控制方式的分析及其选择

4.1.2 并网控制策略的分析及其选择

4.2 基于定子电压矢量定向的负载并网控制策略分析

4.3 应用比例-谐振调节器的并网控制策略研究

4.3.1 传统PI调节器与比例-谐振调节器的特性对比分析

4.3.2 应用自适应比例-谐振调节器的负载并网控制系统

4.4 仿真分析与研究

4.5 本章小结

第5章 双馈风力发电模拟系统机侧最大功率追踪控制研究

5.1 双馈风力发电系统的最大功率追踪机理

5.2 直接速度控制方式的分析与仿真

5.2.1 转速与无功外环的分析与设计

5.2.2 转子电流内环的分析与设计

5.2.3 直接速度控制方式系统给定的获得

5.2.4 直接速度控制方式控制系统的整体设计与分析

5.2.5 直接速度控制方式的仿真分析

5.3 间接速度控制方式的分析与仿真

5.3.1 有功与无功外环的分析与设计

5.3.2 间接速度控制方式系统给定的获得

5.3.3 间接速度控制方式控制系统的整体设计与分析

5.3.4 间接速度控制方式的仿真分析

5.4 基于DSC与ISC的改进最大功率追踪控制方式研究

5.4.1 DSC与ISC的对比分析

5.4.2 双模控制方式的分析与研究

5.4.3 双模控制方式控制系统的设计

5.4.4 双模控制方式的仿真分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢