交流励磁变速恒频风力发电控制系统的研究.doc

1、摘 要由于常规能源紧缺及环境问题日益突出，利用可再生能源作为未来最重要的清洁替代能源，对于缓解能源匮乏具有重要的意义。风能由于其突出的优点而倍受关注，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。 以交流励磁双馈电机作为发电机运行的风力发电系统，具有独立的有功、无功功率调节能力，并可以改善电力系统稳定性。本文主要针对交流励磁变速恒频双馈风力发电系统的关键技术进行了较为系统的研究。 本文分析了双馈发电机的运行原理和能量关系，推导建立了其在三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，提出了定子磁链定向矢量控制策略，实现了有功与无功功率的解耦。然后研究了满足双馈发电机转子能量双向流动要求的双PWM变换器及其控

2、制策略。最后，建立了变速恒频双馈风力发电系统的仿真模型，通过仿真验证了理论、模型和控制策略的正确性、可行性。关键词：变速恒频 ；交流励磁 ；双馈感应发电机 ；矢量控制 ；双PWM变换器 AbstractWith the lack of general energy sources and the worsening of environment problems increasingly, it is provided with very important meanings to abate energy lack by using renewable energy source. Beca

3、use of its outstanding merits, wind power isattention in the exploitation of renewable energy source, and the wind power has become the research hotspot of many countrys scholars.The variable-speed constant-frequency (VSCF) wind power generation system using doubly fed induction generator (DFIG), ca

4、n adjust the active and reactive power separately, and improve the stability of electric power system. The key technology of VSCF doubly fed induction generator system is studied in the paper.This paper has analyzed opration principle and energy relationship of DFIG,deduced and built mathematic mode

5、ls of it on the three phase stationary and two phase rotating coordinate systems, put forward the stator flux oriented vector control strategy of DFIG for the realization of decoupling control of active and reactive power. Then, this paper has studied the back-to-back PWM converter that satisfies th

6、e request of energy bidirectional flowing of DFIGs rotor and its control strategy. Finally,this paper has built the simulation model of the Variable-Speed Constant-Frequency Doubly-Fed Wind Power Generation system, validated the validity and feasibility of theory,model and control strategy through s

7、imulation.Key words： VSCF ；AC Excitation ；DFIG ；Vector Control ；Back-to-Back PWM Converter 目 录1 绪论11.1风能开发与风电发电的历史11.2国内外风力发电的发展状况11.2.1国外风力发电的发展状况11.2.2国内风力发电的发展状况21.3风力发电控制技术的发展趋势21.4变速恒频运行方式31.5本文研究的主要内容52 交流励磁双馈发电机的工作原理及数学模型62.1引言62.2变速恒频双馈异步发电机运行的基本原理及特点62.2.1变速恒频双馈异步发电机运行基本原理62.2.2变速恒频双馈异步发电机的

8、特点82.3 变速恒频双馈异步发电机的数学模型82.3.1三相静止ABC坐标系下数学模型82.3.2 两相同步速旋转DQ坐标系下数学模型113 交流励磁双馈发电机的矢量控制153.1 矢量控制技术概述153.2 DFIG基于定子磁场定向矢量控制模型154 交流励磁双PWM型变换器的研究194.1DFIG励磁变换器194.2双PWM变换器原理194.3网侧变换器控制策略及仿真204.3 SVPWM调制方式的基本原理与实现244.3.1 SVPWM调制方式的基本原理244.3.2 SVPWM的控制算法265 交流励磁变速恒频风力发电机组并网控制285.1风力发电机并网技术的概述285.2交流励磁变

9、速恒频风力发电机并网控制295.2.1空载并网方式295.2.2带独立负载并网方式295.2.3两种并网方式的比较316 变速恒频双馈风力发电系统控制策略的仿真研究326.1 单台变速恒频双馈风力发电系统仿真326.2 多台变速恒频双馈风力发电系统仿真357 结论与展望40参考文献41翻译部分42英文原文42中文翻译51致 谢611 绪论1.1风能开发与风电发电的历史风能作为一种自然现象，是由太阳辐射热引起的，是太阳能的一种转化形式，具有干净、储量极其充足的、可再生等优点，取之不尽，用之有余。当太阳热能辐射到地球表面时，地球表面在不同处所受到的辐射也不尽相同，因而会产生温差，引起大气的对流而形

10、成风，在其转换的过程当中，不产生任何有害的气体和废料，因此对环境无污染，具有就地取材不需要运输等特点。据目前所知，全球的风能约为MW，其中可利用的风能为MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，相当于1000-10000座100万瓦量级的原子能发电站。我国的风能资源比较丰富，全国可利用的风能资源为2.53亿KW，风能丰富地区的风能密度为200-300W/mz有效风力出现事件概率为70左右，风速大于3.5m/s的全年累计时数在5000-7000h。人类懂得利用风能的历史可追溯到公元前，古典的荷兰风车就是一个典型的例子，但是数千年来风能技术的开发发展缓慢，也没有引起人们足够的重视，直到风力用

11、来发电的新时代。这个新时代始于20世纪70年代，1972年爆发的石油危机更是一个有力的刺激，在常规能源告急和全球生态环境恶劣的双重压力下，风能因此受到世界各国政府的广泛重视，几乎所有发达国家均将风能的开发利用列入本国最重要的任务。除在财政上给予以大力支持外，还制定了相应的法律和法规扶持风能的开发利用。风力发电技术有安全可靠、无污染、不消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活及可并网运行等特点，虽然风能资源还有密度低、不稳定、地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡它快速发展的强势劲头，风能将成为继IT等产业之后的又一个朝阳产业，已经成为国际电力发展的大趋势。1.2国内外风力发电的发展状况2009-2013

12、年世界风电累计装机容量的平均年增长率已接近20，具体见表1-1。欧洲最大的风力发电厂发电能力已达到10MW。根据全球风能理事会（GWEC）发布的2013年风电发展统计数据，全球风电累计装机容量突破3亿千瓦，同比增长近12.5。表1-1 2009-2013世界风电市场的增长年份新增装机容量万KW增长率累计装机容量万KW增长率20093810.315890.320104061.76.591995225.56201141000.942405220.55201245009.752855218.7120133546.7-2.1132098.712.46平均增长率3.7919.311.2.1国外风力发电的

13、发展状况德国的风力发电技术在世界上的领先地位是毋容置疑的，其在可再生资源和合理用能方面的科研投资超过了欧共体所有国家之总和，居于世界三雄之一的地位。德国视风能为继水电之后的下一个实用的可再生资源，据称德国政府宣布可能在30年内，即其有效运行的寿命周期内关闭目前占全国30供电量的19个核电厂，并批准了29处包括近2000台风力发电机组机组的海上风力发电厂的将建设项目。丹麦的风力发电技术也不容小觑。丹麦的风力发电研究始于1981年，并建成了世界第一座风力发电站日德兰风力发电站，装机容量2000KW，三片风叶的扫掠直径为54m。至1918年，丹麦四分之一的乡村发电站（约120家）完全采用风力发电。目

14、前丹麦已计划在2030年以前使海上风力发电的装机容量达到400万千瓦，这些设施的年发电能力可达到134亿度，约相当于丹麦年用电量的40。由于环保问题和对未来新能源的需求，美国十分重视开发和利用风能，从1974年起就开始对风能进行系统的研究，其技术水平远超其他同等国家，再加上美国联邦政府的扶持鼓励政策，具有6级风资源的大型风力发电项目（5万千瓦）已具有价格竞争力。此外，近年来美国正在研究其海上风能资源，海上风力发电的发展已经开始起步并初见成效。如果浮动式海上风力发电计划能够实现，则美国海上风电的潜力会更大。随着技术的进步和环保事业的进一步发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。在不久的将

15、来，风电会向今天的水电看齐，朝着满足全球20电力需求的方向发展。1.2.2国内风力发电的发展状况中国人口众多，经济持续发展，对能源的需求增长速度很快，常规能源如煤炭、天然气和石油等化石燃料的蕴藏量是有限的。目前，我国面临着的最突出的矛盾是国内优质能源供应不足，已经受到常规能源的限制，寻找可代替的新能源变得刻不容缓。据中国科学院的估算数据，我国平均风功率密度为100W/m，陆地上可开发的风能约为2.53亿千瓦，海上可利用的风能约为7.5亿千瓦，共计约为10亿千瓦，居世界首位。因此风力发电将作为替代常规能源的可再生能源之一，是我国技术发展的重点。事实上我国早在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到国家意识到能源矛盾问题之后才逐渐发展风能，近年来为了扶持风力发电产业和技术的发展，中国政府采取了一系列的国家行动，如乘风计划、双加计划、风电特权项目以及国债风电项目等等。此后在国家相关部委的大力支持下，额定功率为200KW、250KW、300KW、600KW、1.5MW、2.1MW、2.3MW的风力发