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用于双馈风力发电机的双PWM变换器的设计与实现

作　者: 邓富金
导　师: 金之俭；蔡旭
学　校: 上海交通大学
专　业: 高电压及其绝缘技术
关键词: 变速恒频双馈矢量控制交流励磁直接转矩
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 155次
引　用: 4次
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内容摘要

在能源短缺和环境污染日益严重的今天,作为可再生绿色能源的风能的开发利用具有十分重要的意义。对此,世界各国普遍重视并竞相大力发展,技术上推陈出新。其中以变速恒频双馈风力发电系统最为广泛,尤以绕线式转子双馈异步发电系统为代表。基于这种系统,可以通过交流励磁变换器实现最大风能捕获的变速恒频风力发电。相比传统的循环变流器,作为兆瓦级变速恒频风电机组电控系统的核心部件,双PWM变换器交流励磁电源的输入输出特性更好,电力谐波更低,调速调频范围更宽。转子侧变换器担负双馈感应发电机的矢量控制任务,基于功率给定实现最大风能捕获和定子输出无功的独立调节;网侧变换器通过直流环节完成转子及转子侧变换器与电网间的能量交换。本文首先分析了变速恒频双馈电机运行调速原理及其动态数学模型、基于功率给定的最大风能捕获原理以及常用的几种矢量控制,同时对功率调节方式、转矩调节方式、转速调节方式做了相应的比较,并且在此基础上构建了其有功和无功功率解耦控制的双闭环串级PI控制方案,紧接着提出了将直接转矩控制技术应用到变速恒频风力发电系统中这一新颖思路,这样能够更加直接的控制交流励磁电机。然后,分析了网侧三相PWM变换器在同步d、q坐标系中的数学模型,同样建立基于稳定直流母线电压和单位功率因数运行的双闭环串级PI控制方案。同时,利用MATLAB/SIMULINK平台,对以上理论分析进行了仿真研究,研究结果证明了网侧PWM变换器以及转子侧PWM变换器的设计的可行性。最后介绍了dSPACE在风力变速恒频风力发电实验平台中的应用,包括软、硬件配置情况,详细的介绍了通过dSPACE控制器将网侧、转子侧双PWM变换器的设计思路应用到实际的平台中,很好的验证了系统变换器设计的可行性,为实现变速恒频双馈风力发电交流励磁变换器控制研究打下了显示基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
1 绪论  13-18
  1.1 国内外研究现状  13-15
  1.2 课题研究意义  15-17
  1.3 本文研究主要内容  17-18
2 变速恒频双馈风力发电系统概述  18-23
  2.1 变速恒频风力发电系统结构  18-19
  2.2 风力机风能吸收原理  19-21
  2.3 最大风能捕获原理  21-23
3 交流励磁变速恒频风力发电基本理论  23-38
  3.1 交流励磁电机基本原理  23-31
    3.1.1 交流励磁电机介绍  23-25
    3.1.2 交流励磁电机数学模型  25-31
  3.2 变速恒频运行基本理论  31-33
    3.2.1 交流励磁电机运行状态  31-32
    3.2.2 系统能量流向  32-33
  3.3 交流励磁电机转子励磁变换器选型  33-38
4 转子侧PWM 变换器的设计与实现  38-80
  4.1 转子侧PWM 变换器控制策略  38-44
    4.1.1 常用矢量控制方式  39-41
    4.1.2 定子磁链定向矢量控制策略  41-44
  4.2 基于磁场定向的交流励磁变速恒频风力发电机并网控制  44-64
    4.2.1 交流励磁电机并网分析  44-47
    4.2.2 功率调节系统  47-49
    4.2.3 转矩调节系统  49-50
    4.2.4 转速调节系统  50-52
    4.2.5 并网控制变换器设计  52-58
    4.2.6 交流励磁发电机空载并网控制  58-60
    4.2.7 交流励磁发电机并网条件分析  60-64
  4.3 转子侧PWM 变换器参数选型设计  64-68
  4.4 电网电压跌落分析  68-72
  4.5 交流励磁电机直接转矩控制技术  72-80
5 电网侧PWM 变换器的设计与实现  80-102
  5.1 网侧PWM 变换器工作原理  80-82
  5.2 网侧PWM 变换器控制策略研究  82-85
  5.3 网侧PWM 变换器控制器设计  85-94
    5.3.1 网侧PWM 变换器常规PI 控制器设计  85-89
    5.3.2 基于内模控制的网侧PWM 变换器控制器设计  89-94
  5.4 直流母线电压参数设计  94-95
  4.5 直流母线电容参数设计  95-97
  5.6 三相交流进线电感参数设计  97-99
  5.7 网侧PWM 变换器参数选型设计  99-102
6 基于DSPACE 实时控制平台的变速恒频风力发电系统  102-128
  6.1 基于DSPACE 实时控制平台的风力发电系统  102-104
    6.1.1 dSPACE 实时硬件仿真平台介绍  102-103
    6.1.2 基于dSPACE 实时控制平台的风力发电系统  103-104
  6.2 基于DSPACE 实时控制平台的7.5KW 风力发电系统网侧控制系统  104-118
    6.2.1 网侧PWM 变换器系统组成  104-107
    6.2.2 网侧PWM 变换器系统硬件电路设计  107-109
    6.2.3 dSPACE 与网侧变换器实验平台的连接  109-111
    6.2.4 网侧 PWM 变换器实验结果及分析  111-118
  6.3 基于 DSPACE 实时控制平台的 7.5KW 风力发电系统转子侧控制系统  118-128
    6.3.1 转子侧 PWM 变换器系统组成  118-120
    6.3.2 转子侧 PWM 变换器系统硬件电路设计  120-123
    6.3.3 dSPACE 与转子侧变换器实验平台的连接  123
    6.3.4 转子侧 PWM 变换器实验结果及分析  123-128
7 结论与展望  128-130
参考文献  130-133
致谢  133-134
攻读硕士期间已发表或已录用的论文  134

用于双馈风力发电机的双PWM变换器的设计与实现

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