高性能无刷双馈风力发电机系统关键技术研究

发布时间：2017-07-15 10:28

  本文关键词：高性能无刷双馈风力发电机系统关键技术研究

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【摘要】：随着能源危机和环境污染问题的日益加重,各国开始寻求清洁可再生的能源来代替传统火力发电。风力发电经过十年的发展与成熟,在各国能源结构中占据一定比例,成为了最有商业价值的新能源发电方式。在未来几年里,海上风力发电将兴起作为风电市场的新热点。由于海上风电苛刻的自然条件和薄弱的电网接口,要求风力发电机具有高可靠性,低成本的特点,并且能够适应各种复杂的电网故障。 无刷双馈电机(Brushless Doubly Fed Machine, BDFM)定子由两套极对数不同的绕组组成,转子为特殊设计的绕线或者磁阻结构。在定子两套绕组独立供电的情况下,无刷双馈电机运行于双馈模式,具有类似同步电机的特性,并且可以通过调节控制绕组的励磁频率改变转子转速。由于无刷双馈电机转子不存在碳刷和滑环,可靠性高；变流器与控制绕组相连,容量小且成本低；因此能够很好地满足海上风电高可靠性、低成本的要求。 本文以无刷双馈电机应用于海上风电为背景,从电机本体和控制策略两方面入手,针对海上风力发电系统中的一些关键问题进行研究。本文的主要工作有： 首先,分析了无刷双馈电机的基本工作原理,给出无刷双馈稳态运行的功率分析和运行极限。基于绕组分布函数,对无刷双馈电机本体谐波进行分析,重点研究由于电机谐波磁场产生的转矩脉动,并给出转矩波动与电机拓扑结构和绕组分布之间的定量关系,进而为电机本体设计和优化提供理论基础。 其次,建立无刷双馈电机统一dp坐标系下的矢量模型,提出电网电压定向的矢量控制策略,通过加入前馈项,实现有功、无功功率的解耦控制。结合实际运行情况,针对电网不平衡故障时,分析无刷双馈电机的动态行为特性,进而提出四个控制目标和相应的改进控制策略,有效地抑制了电网不平衡故障对无刷双馈电机和电网的影响,满足并网规范,使无刷双馈机组能够适应电网不平衡故障。 最后,由于无刷双馈电机被控量的频率随着转速的变化而变化,采用固定谐振点的PR控制器无法有效抑制波动分量的误差,探究和提出了具有自适应能力的频率检测算法和自适应控制器,最终实现频率可变交流分量的零稳态误差控制。
【关键词】：无刷双馈电机 谐波磁场 转矩脉动 统一dq模型 矢量控制 电网故障 自适应控制器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-18
• 1.1.1 风电发展趋势11-13
• 1.1.2 无刷双馈电机的发展及特点13-16
• 1.1.3 风电并网规范16-18
• 1.2 无刷双馈电机及其应用研究18-20
• 1.2.1 国内外研究现状18-19
• 1.2.2 现有研究的不足19-20
• 1.3 本论文主要研究内容20-23
• 第2章 无刷双馈电机工作原理与特性23-41
• 2.1 无刷双馈电机结构及工作原理23-26
• 2.1.1 无刷双馈电机定转子结构23-24
• 2.1.2 无刷双馈电机工作原理24-26
• 2.2 无刷双馈电机双馈运行及功率26-31
• 2.2.1 双馈运行及功率关系26-28
• 2.2.2 等效电路28-29
• 2.2.3 运行极限29-31
• 2.3 有限元分析31-35
• 2.3.1 有限元原理31
• 2.3.2 有限元仿真31-35
• 2.4 实验验证35-40
• 2.4.1 嵌套环路式无刷双馈电机测试35-37
• 2.4.2 双层绕线式无刷双馈电机测试37-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 无刷双馈电机谐波分析41-53
• 3.1 绕组分布函数41-44
• 3.1.1 定子绕组分布函数42-43
• 3.1.2 转子绕组分布函数43-44
• 3.2 谐波磁场分析44-47
• 3.2.1 定子谐波磁场分析44-45
• 3.2.2 转子谐波磁场分析45-47
• 3.3 谐波磁场的影响47-49
• 3.3.1 转矩脉动47-49
• 3.3.2 功率波动49
• 3.4 仿真及实验验证49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 无刷双馈电机动态建模和矢量控制53-75
• 4.1 无刷双馈电机矢量模型53-58
• 4.1.1 空间矢量构建53-54
• 4.1.2 无刷双馈电机的矢量模型54-58
• 4.2 理想条件下无刷双馈电机矢量控制58-65
• 4.2.1 有功、无功功率解耦控制59-62
• 4.2.2 矢量控制动态特性62-65
• 4.3 不平衡电网下无刷双馈电机控制策略65-71
• 4.3.1 不平衡电网下无刷双馈电机建模65-68
• 4.3.2 不平衡电网下改进控制策略68-71
• 4.4 电机谐波矢量模型71-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第5章 频率检测与自适应控制器75-95
• 5.1 频率检测75-86
• 5.1.1 自适应矢量滤波器76-79
• 5.1.2 自适应陷波器79-82
• 5.1.3 AVF与ANF的应用82-86
• 5.2 自适应控制器86-93
• 5.2.1 间接型自适应谐振控制器87-89
• 5.2.2 直接型自适应谐振控制器89-92
• 5.2.3 离散化实现92-93
• 5.3 本章小结93-95
• 第6章 无刷双馈电机实验平台及验证95-103
• 6.1 系统拓扑及实验平台95-96
• 6.2 理想电网下无刷双馈电机实验96-99
• 6.2.1 码盘位置信号错误调试96
• 6.2.2 有功、无功功率解耦控制96-99
• 6.3 不平衡电网下无刷双馈电机实验99-101
• 6.4 本章小结101-103
• 第7章 总结与展望103-105
• 7.1 本文主要结论及创新点103-104
• 7.2 后续研究工作展望104-105
• 参考文献105-109
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 韩力;高强;罗辞勇;李辉;;不同转子结构无刷双馈电机的运行特性对比[J];电机与控制学报;2010年03期

2 徐海亮;章玮;胡家兵;贺益康;周鹏;;电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压同步信号的检测[J];电力系统自动化;2012年05期

3 ;2013年中国风电装机容量统计[J];风能;2014年02期

4 杨向宇,蔡晓铭;无刷双馈调速电机的谐波磁场分析[J];华南理工大学学报(自然科学版);2005年04期

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本文编号：543509