双馈风力发电机最大功率跟踪及空载并网控制系统研究

发布时间：2017-06-25 19:09

  本文关键词：双馈风力发电机最大功率跟踪及空载并网控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：世界各国在工业化发展的道路上飞速奔驰。随着化石能源的逐渐枯竭和大量消耗化石能源所带来的日益恶化的环境问题,已成为困扰我们的两大难题,人类面临的选择只有一个,那就是能源转型,发展可再生的清洁能源。风能作为一种无任何污染的能源形式,得到了充分的发展,对解决世界性的能源问题有着特殊的意义。步入21世纪以来全球大力发展风电事业,风电总装机容量连续大幅上涨,风力发电技术也推陈出新。随着单机容量的不断扩大,如何有效的利用风能,提升机组的发电效率一直是风电技术领域研究的热点问题。此外,大容量机组并网时刻对电网的影响也不容忽视,因此风力发电机的并网技术也成为了风电技术领域的研究热点。双馈风力发电机组是目前风电场采用最为广泛的机型,其特点是能够实现变速恒频运行,并且变频器功率仅为机组额定功率的1/3,相比于全功率变流器的其他机型大大节约了成本。本文主要针对此机型的一些问题作出研究。本文依据风电机组的实际运行数据,发现其实际发出功率要小于理想情况,为提高风电机组的运行效率,本文对其控制系统进行深入研究,并给出优化方案。本文简单介绍了最大风能捕获的控制原理,通过分析功率损耗对最大风能捕获的影响,针对双馈风力发电机组提出了考虑功率损耗的最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制策略。推导了考虑铁耗的双馈发电机(double fed induction generator,DFIG)在两相d-q旋转坐标系下的数学模型,并在SIMULINK中搭建了DFIG及其控制部分整体的仿真模型。通过对比分析考虑功率损耗与不考虑功率损耗的最大功率跟踪控制策略下的仿真波形,得出在考虑功率损耗时能使风力机运行在相应风速的最大功率点上,实现最大风能捕获的结论。本文针对仿真软件中没有能够空载运行的DFIG模型的问题,推导了其空载运行时在两相d-q旋转坐标系下的数学模型,同样在仿真软件中搭建出来,用以DFIG空载并网控制策略的仿真研究,并通过基于此模型的仿真与理论分析,验证了此模型的正确性。搭建了以直流机带动DFIG的风力发电机组实验平台,主要包括:IPM驱动电路、IPM外围保护电路、检测与调理电路、过零检测电路、旋转编码器检测电路、故障信号处理电路、并网装置,并详细介绍了各电路的工作原理及功能。以DSPF2812为主控芯片,在CCS3.3上编写了DFIG控制的程序,主要包括主程序和各功能子程序。然后在硬件平台上对程序进行了调试。最后,通过对实验结果的分析,证明了本文所提理论的正确性。
【关键词】：风力发电 双馈发电机 最大功率跟踪 空载并网
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题的研究背景及意义11-13
• 1.2 风力发电的发展历程及现状13-15
• 1.3 双馈风力发电技术的发展与概述15-18
• 1.3.1 并网技术15-17
• 1.3.2 最大功率跟踪技术17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-19
• 第二章 最大风能捕获理论19-41
• 2.1 风力机模型19-20
• 2.2 DFIG的数学模型20-25
• 2.2.1 坐标变换原理20-22
• 2.2.2 DFIG的数学模型22-25
• 2.3 基于功率曲线法的MPPT原理25-28
• 2.3.1 风电机组的运行区域25-26
• 2.3.2 最大风能捕获原理26-28
• 2.3.3 功率参考值的计算28
• 2.4 损耗功率对MPPT控制策略的影响及改进28-29
• 2.4.1 损耗对最大风能捕获的影响28-29
• 2.4.2 改进方法29
• 2.5 DFIG的MPPT控制策略与仿真29-39
• 2.5.1 考虑铁耗的DFIG模型29-31
• 2.5.2 双馈风力发电机仿真模型搭建31-32
• 2.5.3 电网电压定向的矢量控制系统32
• 2.5.4 电流内环控制器的设计32-33
• 2.5.5 功率外环控制器的设计33-35
• 2.5.6 仿真研究35-39
• 2.6 小结39-41
• 第三章 DFIG空载并网系统研究41-49
• 3.1 DFIG的空载并网数学模型41-48
• 3.1.1 空载数学模型推导41-42
• 3.1.2 DFIG空载并网前仿真模型搭建42-44
• 3.1.3 空载仿真研究44-48
• 3.2 小结48-49
• 第四章 DFIG实验平台硬件设计49-63
• 4.1 双馈风力发电机实验平台整体结构49-50
• 4.2 DFIG及直流电动机参数50
• 4.3 智能功率模块(IPM)50-53
• 4.3.1 智能功率模块(IPM)电路结构50-51
• 4.3.2 驱动电路51-53
• 4.4 检测电路53-56
• 4.4.1 交流信号检测与调理电路53-54
• 4.4.2 过零检测电路54-55
• 4.4.3 旋转编码器检测电路55-56
• 4.5 并网装置56
• 4.6 控制器DSPF281256-58
• 4.7 保护电路58-61
• 4.7.1 IPM保护电路58-60
• 4.7.2 故障信号处理电路60-61
• 4.8 小结61-63
• 第五章 基于DSP的DFIG控制器软件设计63-75
• 5.1 开发环境CCS3.3 简介63
• 5.2 软件程序设计63-64
• 5.3 主程序设计64-65
• 5.4 子程序设计65-72
• 5.4.1 TI周期中断子程序设计65-66
• 5.4.2 电压、电流AD采样及校正子程序66-67
• 5.4.3 转速测量与转子位置角测量子程序67-69
• 5.4.4 比例积分控制器(PI)程序设计69-70
• 5.4.5 空载并网子程序70-71
• 5.4.6 MPPT控制子程序71
• 5.4.7 脱网运行子程序71-72
• 5.4.8 SVPWM调制子程序72
• 5.5 PWM脉冲信号的死区时间设置72-73
• 5.6 小结73-75
• 第六章 实验结果与分析75-87
• 6.1 实验平台调试波形75-77
• 6.1.1 调理电路波形75-76
• 6.1.2 过零检测电路波形76
• 6.1.3 转子零位置角检测76-77
• 6.1.4 SVPWM波控制信号波形77
• 6.2 空载并网实验77-80
• 6.3 功率控制实验80-82
• 6.4 功率损耗对MPPT的影响实验82-85
• 6.4.1 机械损耗的测量实验82-83
• 6.4.2 铁耗的测量实验83
• 6.4.3 功率损耗对MPPT的影响实验83-85
• 6.5 小结85-87
• 总结与展望87-89
• 参考文献89-93
• 致谢93-95
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果95

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