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变速恒频风力发电系统的运行仿真及谐波特性研究

作　者: 李斌
导　师: 汪庆年
学　校: 南昌大学
专　业: 电机与电器
关键词: 风力发电变速恒频矢量控制电力谐波系统仿真
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

风能作为一种清洁可再生的绿色能源能够有效地解决全球能源短缺和自然环境污染等问题,与其相关的风力发电技术研究越来越受到世界各国的重视,变速恒频(VSCF)风力发电技术因其高效性和实用性有着广阔的发展前景。本文研究对象为双馈式变速恒频风力发电系统。双馈发电机是整个风力发电系统的核心,本文在对其工作原理和运行特性进行了分析后,对功率不变和绕组匝数不变约束条件下的坐标变换进行了说明,然后建立了双馈发电机在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型,研究了电机的稳态等效电路及明确了功率在双馈电机中的流动过程。风力机是VSCF风力发电系统中将风能转换为机械能的设备,是系统的重要组成部分。本文以风能理论为基础,对风速、风力机系统的运行机理展开研究,建立了它们对应的数学模型,对风力机输出功率与风力机转速、风速、叶尖速比、风能利用系数等的数量关系、最大风能追踪策略进行了详细研究,建立了变速恒频风力发电系统基于定子磁链定向的矢量控制系统,实现了风力发电系统有功功率和无功功率的解耦控制,实现了风力机在额定风速范围内的最大风能追踪控制。变频器是实现系统变速恒频运行的关键,本文通过对系统励磁电源交交变频器的主电路结构、工作原理、余弦交点法和触发控制原理等的认真分析,对其输出电压谐波进行了深入研究,研究了调制电压比、基波频率和换桥死时对其输出电压谐波特性的影响,结合双馈发电机的谐波等效电路模型,详细推导了VSCF风力发电系统电力谐波的估算方法,并对其谐波特性、谐波对系统的影响和谐波抑制措施进行了适当地说明。最后,利用MATLAB仿真软件建立了系统各组成部分的仿真模型,搭建了整套变速恒频风力发电系统的MATLAB仿真平台,对系统运行特性进行了全面的仿真研究,仿真结果表明所建模型正确,实现了课题从理论到仿真的全面研究,对VSCF风力发电系统的分析、建模与控制具有一定的应用参考价值,同时为课题后续相关研究的高起点开展奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 国内外风力发电现状及趋势  8-11
    1.2.1 国外风力发电现状  9
    1.2.2 国内风力发电现状  9-11
    1.2.3 世界风力发电趋势  11
  1.3 风力发电技术简介  11-13
  1.4 本文的主要研究内容  13-14
第2章双馈发电机的基本理论  14-31
  2.1 双馈发电机的基本结构和工作原理  14-15
  2.2 三相静止坐标系下双馈发电机的数学模型  15-21
  2.3 坐标系统的变换  21-23
    2.3.1 功率不变条件下的坐标变换  21-22
    2.3.2 绕组匝数不变条件下的坐标变换  22-23
  2.4 两相同步旋转坐标系下双馈发电机的数学模型  23-27
  2.5 双馈发电机的等效电路模型及功率传递关系  27-29
    2.5.1 双馈发电机的等效电路模型  27-28
    2.5.2 双馈发电机的功率传递关系  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第3章风力机相关理论及仿真  31-48
  3.1 风力机的基本理论和运行特性  31-34
  3.2 风力机的数学模型及MATLAB仿真建模  34-40
    3.2.1 风速的数学模型及MATLAB仿真建模  34-38
    3.2.2 风力机传动系统的数学模型及MATLAB仿真建模  38-40
  3.3 风力机最大风能追踪  40-42
  3.4 变速恒频风力发电系统定子磁链定向矢量控制策略  42-46
  3.5 本章小结  46-48
第4章交交变频励磁系统的研究  48-69
  4.1 交交变频器的工作原理  48-50
    4.1.1 工作原理  48-49
    4.1.2 余弦交点法  49-50
  4.2 交交变频器的电路结构和运行方式  50-53
    4.2.1 电路结构  50-52
    4.2.2 运行方式  52-53
  4.3 交交变频器输出电压的谐波分析  53-61
    4.3.1 开关函数法  53-54
    4.3.2 交交变频器输出电压谐波系列的推导  54-60
    4.3.3 交交变频器输出电压谐波特性分析  60-61
  4.4 交交变频器的MATLAB建模与仿真  61-68
    4.4.1 交交变频器的MATLAB建模  61-63
    4.4.2 交交变频器带阻感性负载的仿真  63-65
    4.4.3 输出频率、调制深度及换桥死区对交交变频器输出波形影响的仿真研究  65-68
  4.5 本章小结  68-69
第5章变速恒频风力发电系统仿真及谐波特性研究  69-87
  5.1 双馈发电机的仿真建模  69-74
  5.2 定子磁链定向矢量控制系统仿真建模  74-76
  5.3 变速恒频风力发电系统的仿真  76-79
    5.3.1 变速恒频风力发电系统的仿真模型  76-77
    5.3.2 变速恒频风力发电系统的仿真运行  77-79
  5.4 变速恒频风力发电系统电力谐波研究  79-84
    5.4.1 变速恒频风力发电系统的谐波等效电路及电压方程  79-81
    5.4.2 变速恒频风力发电系统的谐波转矩分析及系统谐波估算方法  81-83
    5.4.3 变速恒频风力发电系统的电力谐波特性及对系统的影响  83-84
  5.5 变速恒频风力发电系统电力谐波抑制策略  84-85
  5.6 本章小结  85-87
第6章总结与展望  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-94
附录A 双馈发电机基值的选取  94-95
附录B 风速及风力机模型相关程序  95-98
攻读学位期间的研究成果  98

变速恒频风力发电系统的运行仿真及谐波特性研究

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