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平衡和不平衡电网电压下双馈风力发电系统谐波特性研究

作　者: 刘彦君
导　师: 黄梅
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 双馈风力发电系统电网电压不平衡矢量控制网侧变流器转子侧变流器
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

变速恒频双馈风力发电系统由于其设备损耗低,运行范围广,成本低,易于控制等诸多优点而逐渐受到越来越多的关注,而并网型双馈风力发电系统的建模与控制是风力发电系统研究的重要组成。本文围绕双馈风力发电系统的控制展开研究,并从谐波的角度阐述研究的必要性及结果的有效性。本文的主要内容可概括如下：分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行原理,建立了风力机模型,在分析风力运行特性及其最大功率跟踪原理的基础上,分析了定风速下可实现最大功率输出的风力机控制策略。建立了稳态时双馈电机的数学模型,通过矢量控制方法,研究了电网电压平衡时双馈电机转子侧变流器和电网侧变流器控制策略,可使系统实现有功、无功功率分别控制,实现最大风能追踪及直流母线电压保持恒定。研究了电网电压不平衡时双馈风力发电系统的控制问题。运用对称分量法,分析了电网电压不平衡时双馈电机的运行特性,建立了正、负序两相旋转坐标系下双馈电机的数学模型,以此为基础研究了以消除二次谐波及负序分量为目的的转子侧、电网侧变流器及两者联合控制控制策略。通过MATLAB/Simulik对以上理论分析及控制策略进行仿真验证。仿真结果表明,可以通过控制策略的改进消除不平衡的电网电压为双馈风力发电系统带来的谐波和负序分量,改进系统的不间断运行能力。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章引言  11-19
  1.1 选题背景及研究意义  11-12
  1.2 风力发电技术的发展与研究现状  12-15
    1.2.1 风力发电系统中的电气结构  12-13
    1.2.2 变速恒频风力发电系统  13-14
    1.2.3 电网电压平衡条件下双馈风力发电系统的现有控制策略  14-15
  1.3 电网电压不平衡时双馈风力发电系统的控制  15-17
    1.3.1 电网电压不平衡时研究新控制策略的必要性  15-16
    1.3.2 电网电压不平衡时控制问题研究现状  16-17
  1.4 本论文的主要研究内容  17-19
第二章双馈风力发电系统的数学模型  19-25
  2.1 风力机模型  19-20
  2.2 双馈电机的数学模型  20-24
    2.2.1 三相静止坐标系下双馈电机的数学模型  20-22
    2.2.2 两相旋转坐标系下的数学模型  22-24
  2.3 本章总结  24-25
第三章电网电压平衡时双馈风力发电系统的控制策略  25-39
  3.1 可实现最大功率输出的风力机控制  25-28
    3.1.1 风力发电系统的运行区域分析  25
    3.1.2 最大功率点追踪策略  25-27
    3.1.3 馈电机能量流动关系  27-28
    3.1.4 最大功率输出的风力机控制策略  28
  3.2 电网电压平衡时转子侧变流器控制策略建模与分析  28-33
    3.2.1 馈电机的矢量控制方法  28-30
    3.2.2 基于定子电压(电网电压)定向的矢量控制  30-33
  3.3 电网电压平衡时电网侧变流器控制策略建模与分析  33-37
    3.3.1 电网侧变流器的数学模型  34-35
    3.3.2 电网侧变流器的控制策略  35-37
  3.4 本章小结  37-39
第四章电网电压不平衡时双馈风力发电系统建模与控制  39-77
  4.1 关于电网电压不平衡的理论分析  39-43
    4.1.1 电压不平衡的定义及分析  39-42
    4.1.2 不平衡度定义  42-43
  4.2 双馈电机在电网电压不平衡时的运行状况分析  43-57
    4.2.1 三相不对称电磁量的表达方式  43-46
    4.2.2 电网电压不平衡时双馈电机的数学模型  46-53
    4.2.3 电网电压不平衡时电网侧变流器的数学模型  53-57
  4.3 电网电压不平衡时双旋转坐标系控制  57-62
    4.3.1 双旋转坐标系控制系统  57-58
    4.3.2 正负序检测与分离  58-61
    4.3.3 锁相环  61-62
  4.4 电网电压不平衡时双馈风力发电系统的控制策略  62-75
    4.4.1 电网电压不平衡时转子侧变流器控制策略  63-69
    4.4.2 电网电压不平衡时电网侧变流器控制策略  69-73
    4.4.3 综合控制系统的设计  73-75
  4.5 本章总结  75-77
第五章 Average模型仿真与实验研究  77-105
  5.1 仿真系统的构成及参数设计  77-78
  5.2 电网电压不平衡时锁相环对比仿真  78-82
    5.2.1 电网电压不平衡时传统锁相环仿真  79
    5.2.2 电网电压不平衡时改进的锁相环仿真  79-82
  5.3 原控制策略仿真  82-87
    5.3.1 电网电压平衡时原控制策略仿真  82-84
    5.3.2 电网电压不平衡时原控制策略仿真  84-87
  5.4 转子侧双旋转坐标系控制策略仿真  87-94
    5.4.1 消除电磁转矩中的二次谐波  87-88
    5.4.2 消除定子输出有功功率中的二次谐波  88-89
    5.4.3 消除转子电流中的负序成分  89-91
    5.4.4 消除定子电流中的负序成分  91-92
    5.4.5 实现四种控制目标的仿真对比  92-94
  5.5 电网侧双旋转坐标系控制策略仿真  94-97
    5.4.1 消除直流母线电压中的二次谐波  94-95
    5.5.2 消除三相变流器交流侧电流中的负序成分  95
    5.5.3 实现两种控制目标的仿真对比  95-97
  5.6 双旋转坐标系控制策略联合控制仿真  97-104
    5.6.1 消除直流母线电压及输出总有功功率中的二次谐波  97-99
    5.6.2 消除定子输出有功功率及系统输出总功率中的二次谐波  99-101
    5.6.3 消除系统输出总功率中的二次谐波及转子电流中的负序成分  101-102
    5.6.4 消除系统输出总功率中的二次谐波及定子电流中的负序成分  102-104
  5.7 本章小结  104-105
第六章 Detail模型仿真分析  105-115
  6.1 仿真系统的构成及参数设计  105
  6.2 电网电压不平衡时detail模型控制策略仿真  105-109
    6.2.1 原控制策略下电网电压不平衡前后对比  105-107
    6.2.2 电网电压不平衡时改进的控制策略仿真  107-109
  6.3 不同不平衡度下的谐波分析  109-114
  6.4 本章小结  114-115
第七章总结与展望  115-117
参考文献  117-121
作者简历  121-125
学位论文数据集  125

平衡和不平衡电网电压下双馈风力发电系统谐波特性研究

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