变速恒频风力发电系统最大风能捕获控制研究

【摘要】：风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源。其中，并网型双馈式风力发电机组成为工业应用最广泛的变速恒频风力发电机型。本文研究的内容为变速恒频风力发电系统中最大风能捕获问题。本文从风力机、双馈发电机、最大风能捕捉控制方法出发探讨变速恒频风力发电系统中最大风能捕获。 风能的获取和传递一般经过风能转化为机械能，再从机械能转化为电能两个主要过程，风机是吸收风能并将其转化为机械能的部件。本文介绍了变速恒频风力发电系统中风力机的结构、风能转换原理、发电机的数学建模。 本文介绍了发电机的结构及其工作特性。发电机的定子直接连在电网上，转子绕组通过集电环经变流器与电网相连，通过控制转子电流的频率、幅值、相位和相序实现变速恒频控制。同时，为良好的配合功率控制，达到最大风能捕获的目的，本文采用定子磁场定向方式进行矢量控制，通过坐标变换和磁场定向，将DFIG(double fed induction generator)定子电流分解成相互解耦的有功分量和无功分量，分别对这两个分量控制就可以实现P、Q解耦。 对最大风能追踪所采用方案的比较后，本文采用了一种通过DFIG功率控制来实现最大风能追踪。对控制方案的确定后，最后介绍了DFIG运行控制系统中电流内环和功率外环采用的PI控制器的设计，为后续的建模与仿真提供了完整的依据。 最后，运用Matlab/Simulink仿真软件对本系统进行了最大风能捕获的仿真。本文通过分别对随机风速，以及阶跃风速的仿真过程分析，可以得到系统能根据风速的变化，依据风力机输出功率特性曲线，准确的追踪最大风能，实现了最大风能的追踪。 【关键词】：风力发电 变速恒频 双馈发电机 最大风能捕捉 矢量控制
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 风力发电发展与现状8-10
• 1.1.1 风力发电的历史8
• 1.1.2 风力发电的现状8-10
• 1.2 风电的环境与社会效益10-12
• 1.2.1 风电的环境效益10-11
• 1.2.2 风电的社会效益11-12
• 1.3 风电场12-13
• 1.4 风力发电系统13-17
• 1.4.1 风力机组的分类13-14
• 1.4.2 风力发电机组的总体结构14-15
• 1.4.3 风力发电机组的控制技术15-17
• 1.5 本文研究的主要内容17-19
• 第2章 风力机19-26
• 2.1 风力机的结构特征19-21
• 2.1.1 风轮19-20
• 2.1.2 机舱及其安装部件20
• 2.1.3 塔架与基础20-21
• 2.2 风力机的能量转换过程21-25
• 2.2.1 风能的简单分析21
• 2.2.2 动量模型21-25
• 2.3 风力机的数学模型25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 双馈风力发电机(DFIG)26-43
• 3.1 交流励磁双馈发电机变速恒频系统26-28
• 3.2 DFIG 的结构与工作特性28-31
• 3.2.1 DFIG 的结构28-30
• 3.2.2 DFIG 的工作原理30
• 3.2.3 DFIG 的功率分析30-31
• 3.3 DFIG 的动态数学模型31-39
• 3.3.1 两相同步旋转坐标系下 DFIG 动态数学模型32-39
• 3.4 DFIG 的矢量控制39-42
• 3.4.1 DFIG 的控制策略39
• 3.4.2 基于磁场定向矢量控制的发电机的有功功率无功功率解耦控制39-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 最大风能捕获及其控制器的设计43-50
• 4.1 风力发电机的运行状态43-44
• 4.2 最优风能功率捕获控制44-45
• 4.3 最大风能捕获控制实施方案45-46
• 4.4 DFIG 转子侧变换器及其控制策略46-49
• 4.4.1 转子侧变换器 PI 调节器设计47-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 变速恒频风力发电系统的仿真研究50-56
• 5.1 MATLAB50-51
• 5.2 双馈异步发电机磁场矢量控制系统的仿真模型51-52
• 5.3 基于 Simulink 的最大风能捕捉仿真结果52-55
• 5.3.1 风力机的最大风能追踪响应52-53
• 5.3.2 最大风能追踪的仿真实验53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 总结56-58
• 参考文献58-62
• 致谢62-63
• 附录 变速恒频风力机矢量控制图63

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