风电系统中双馈电机直接转矩控制系统的研究

【摘要】：随着世界化石能源的匮乏以及环境污染的日趋严重,风能作为一种可再生的绿色能源,越来越多的受到世界上各个国家的关注。为了更加有效的利用风能,提高风力发电系统控制的水平,本文对变速恒频风力发电系统中双馈电机直接转矩控制系统进行分析研究。论文的主要工作从以下几个方面进行展开： 首先,论文对目前的风力发电水平进行阐述,介绍了变速恒频双馈风力发电机的独特优点,重点的介绍了与传统的矢量控制相比将直接转矩控制应用到双馈风力发电机中的控制技术。 其次,建立风力机的数学模型,并对其进行仿真,得出了在不同的风况下,风力机的输出机械功率与转速之间的关系曲线图,为论文最后的整个系统的的仿真提供论证基础。在风力机桨距角的控制过程中采用比例控制来取代复杂的PI或者PID控制,这样可以克服变桨距机构动作频繁、调节效果低等缺点,同时更有利于最大风能的追踪,提高了风力发电的效率。 第三,论文中对双馈风力发电机的基本原理进行分析研究,并建立其数学模型。然后论文着重分析了双馈风力发电机直接转矩控制的基本原理,并构建变速恒频风力发电系统中双馈电机直接转矩控制系统的原理框图。在此过程中论文中采用近似圆形磁链的空间电压矢量的选择方案来代替传统的六边形磁链的空间电压矢量的选择方案,这样更有效地减小了转矩的脉动以及电流谐波的含量。除此之外,论文中采用施密特三点式转矩调节器来取代传统的两点式转矩调节器,这样更细化了转矩的偏差分析,提高了整个系统的性能。 第四,论文对双PWM变换器的结构及其功能进行了分析研究,重点对网侧变换器的功能进行分析,并运用MATLAB/simulink仿真软件在电网恒压以及电网电压突变的情况下对其进行仿真分析。分析证明了在电网电压恒定的情况下,风力发电系统能够稳定运行；当在电网电压发生突变时,风力发电系统会产生瞬时的波动,但是很快就恢复了正常。 最后,运用MATLAB/simulink仿真软件分电网电压恒定时、电网电压发生突变时两种情况对整个系统进行仿真。仿真结果验证了在变速恒频风力发电系统中采用直接转矩控制技术控制双馈风力发电机可以使整个系统运行稳定,调速性能比较理想,转矩脉动较小等优点,从而保证了整个风力发电系统更有效地利用风能。 【关键词】：变速恒频 风力机 双馈电机 双PWM变换器 直接转矩控制
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 论文的选题背景和研究意义10-11
• 1.2 风力发电机组的功率调节技术11-13
• 1.3 变速恒频风力发电系统13-17
• 1.4 双馈风力发电机17-18
• 1.5 直接转矩控制技术18-20
• 1.5.1 直接转矩控制技术的特点18-19
• 1.5.2 直接转矩控制的国内外发展状况19-20
• 1.6 论文的主要内容20-22
• 2 风电系统中风力机的研究22-31
• 2.1 风力机的功率计算22-23
• 2.1.1 风力机的输出功率22
• 2.1.2 风能利用系数22
• 2.1.3 叶尖速比22-23
• 2.1.4 转矩系数23
• 2.2 风能利用系数的数学模型23-24
• 2.3 风电系统中风力机捕获风能的机理24-27
• 2.4 风力机的建模与仿真27-31
• 3 双馈风力发电机的基本原理和数学模型31-47
• 3.1 双馈风力发电机的原理31-37
• 3.1.1 双馈风力发电机概述31-34
• 3.1.2 双馈风力发电机的原理34-37
• 3.2 双馈风力发电机的能量流动与守恒37-40
• 3.2.1 双馈风力发电机的能量流动37-39
• 3.2.2 双馈风力发电机的能量守恒39-40
• 3.3 双馈电机数学模型的建立40-47
• 3.3.1 磁链方程40-43
• 3.3.2 电磁转矩方程43-44
• 3.3.3 电压方程44-47
• 4 双馈风力发电机直接转矩控制的基本原理47-57
• 4.1 双馈风力发电机直接转矩控制的基本原理47-50
• 4.1.1 空间电压矢量对双馈电机转子磁链的影响47-49
• 4.1.2 电压空间矢量对转矩的影响49-50
• 4.2 双馈风力发电机直接转矩控制系统的结构50-57
• 5 变速恒频双馈风力发电系统的仿真实现57-77
• 5.1 变速恒频风力发电系统功能分析57-60
• 5.1.1 变速恒频风力发电系统的并网监测单元57-60
• 5.2 双PWM变换器的基本原理60-67
• 5.2.1 网侧变换器的控制60-64
• 5.2.2 网侧变换器控制的仿真64-67
• 5.3 风电系统中双馈电机直接转矩控制系统的仿真67-77
• 5.3.1 双馈风力发电机直接转矩闭环控制系统仿真模型67-71
• 5.3.2 系统的仿真分析71-77
• 结论77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-82
• 攻读学位期间的研究成果82

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