交直交变流器励磁双馈异步发电系统研究

摘要

风能作为未来重要的清洁替代能源之一，对于缓解能源匮乏和实现社会的可持续发展具有非常重要的意义。交直交变流器励磁的双馈异步发电系统能够顺利地实现变速恒频发电和有功、无功功率的灵活控制，实现了机电系统的柔性连接，从而解决了常规风力发电系统存在的问题；同时，由于变频器只处理双向流动的转差功率，因此变频器的体积、重量和成本得到了有效降低。本文围绕交直交变流器励磁的双馈异步发电系统及其控制技术展开了研究。 本文建立了双馈发电机的等值电路模型，详细分析了双馈发电机中功率、转矩等关键物理量之间的相互关系。在此基础上，定性分析了双馈发电机的运行特性和功率流动关系。 建立了三相PWM高频整流器的数学模型，并利用平均状态空间法和坐标变换使模型简化。对双馈发电系统中电网侧整流器的双闭环控制原理和单位功率因数的实现方法进行了详细说明。同时，对内环电流控制器和外环电压控制器给出了工程设计方法，仿真结果表明依此设计的整流装置具有良好的动、静态特性。 在两相同步旋转坐标系下双馈发电机数学模型的基础上，建立了基于定子磁链定向的转子侧变频器数学模型，并提出了转子侧变频器的双闭环控制模式（电流控制模式和速度控制模式），最后结合实际系统给出了转子侧变频器的矢量控制实现方法。 围绕双馈发电系统的系统构成，做了详尽的介绍，同时给出了电网侧整流器主电路参数的设计方法。针对独立运行的电网侧整流器和在电流控制模式下运行的并网型双馈发电系统，给出了相关实验波形和分析，实验结果与理论分析基本一致，取得了预期的效果。