变速笼型异步风力发电机组的控制策略研究

摘要

随着能源危机的不断加剧，以风电为代表的新能源发电得到越来越广泛的应用。当前风力发电技术主要采用双馈异步风电机组和永磁直驱风电机组，变速笼型异步风电机组由于使用笼型异步电机代替永磁电机，成本低于永磁风电机组；同时使用全功率驱动变流器，并网能力强于双馈风电机组，因而具有良好的工程应用前景。交流电机的控制策略一直是国内外研究的热点问题，优良的控制策略是保证电机高性能运行的前提。因此，本文对变速笼型异步风力发电机组的控制策略进行了深入研究。主要完成了以下工作：
　　（1）为了便于研究变速笼型异步风电机组的控制策略，建立了风力机和笼型异步发电机的数学模型，研究了并网PWM变流器的工作原理和数学模型，并对瞬时功率理论进行了介绍。
　　（2）在建立了机组模型的基础上研究了基于矢量控制策略的变速笼型异步风电机组的动态特性。对机侧变流器和网侧变流器进行独立控制，机侧变流器采用转子磁链定向控制策略，网侧变流器采取电网电压定向控制策略。对所采用的控制策略进行仿真验证，实现了最大功率跟踪和直流侧电压稳定的目标。
　　（3）进一步研究了基于直接功率控制策略的变速笼型异步风电机组的动态特性。研究分析了直接功率控制策略的工作原理和实现方法。针对基于虚拟磁链的直接功率控制方法中磁链计算不准确的难题，设计用一阶低通滤波环节模拟积分环节计算虚拟磁链，达到消除直流偏置的目的。用基于开关表的直接功率控制方法和基于虚拟磁链的直接功率控制方法分别对网侧和机侧变流器进行控制。结合基于矢量控制策略的变速笼型异步风电机组的动态特性，对两种控制策略进行分析对比。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究意义

1.2 课题的研究动态

1.2.1 风力发电系统发展动态

1.2.2 交流电机控制策略发展动态

1.3 本文主要研究内容

第2章 变速笼型异步风电系统的建模

2.1 风力机的建模与控制

2.1.1 最大功率跟踪基本原理

2.1.2 风力机的建模

2.2 笼型异步电机的建模

2.2.1 坐标变换

2.2.2 笼型异步电机的数学模型

2.3 并网变流器的基本原理

2.3.1 电压型PWM变流器的工作原理

2.3.2 电压型PWM变流器的数学模型

2.3.3 电压型PWM变流器瞬时功率的定义

2.4 本章小结

第3章 变速笼型异步风电机组的矢量控制

3.1 机侧变流器的控制

3.1.1 转子磁链定向矢量控制

3.1.2 机侧变流器的建模与控制

3.2 网侧变流器的控制

3.2.1 电网电压定向矢量控制

3.2.2 网侧变流器的建模与控制

3.3 仿真分析

3.4 本章小结

第4章 变速笼型异步风电机组的直接功率控制

4.1 直接功率控制策略研究

4.1.1 直接功率控制原理

4.1.2 直接功率控制方法

4.2 机侧变流器的控制

4.3 网侧变流器的控制

4.4 仿真分析

4.4.1 基于DPC策略的电压型PWM电路仿真

4.4.2 基于DPC策略的变速笼型异步风电机组仿真

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢