基于传动调速的变速恒频风电机组设计方案的初步研究

发布时间：2017-08-07 23:06

  本文关键词：基于传动调速的变速恒频风电机组设计方案的初步研究

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【摘要】：能量转换效率与可靠性是风力发电机组设计过程中重要的考虑因素。由于风轮从自然风中捕获的功率受风速和当前风轮转速的影响,变速运行的风力发电机组因具有较高的能量利用效率被广泛的应用。传统风电机组上大功率电力电子元件的使用,不仅会增加整个发电机组的成本,还会对电网引入谐波污染,影响电能质量。同时,电力电子元件发生故障的不确定性和不可预测性都会降低风力发电机组的可靠性。针对现有风电机组潜在的问题,本文设计了基于差动调速原理的传动系统方案,拟取代传统风电机组上发电机侧的变频器。本文首先研究了变速恒频风力发电机组所涉及的基本理论基础,对现有的前端调速型发电机组技术方案进行了分析。针对风力发电机组上使用的发电机和调速系统中的电动机,对发电机与电动机的类别、结构与原理进行了对比总结。针对同步电机与异步电机的控制方法做了详细的研究,分析了电机矢量控制、磁场定向控制与直接转矩控制等先进的控制方法原理。对脉宽调制技术方法进行了研究,总结了三种脉宽调制方法的特点。提出了基于差动调速传动系统的总体方案,并对系统中的核心构件行星齿轮机构进行了运动学与动力学分析。在此基础上,对风力发电机组的运行特性进行了研究,提出了针对变速恒频机组传动调速传动系统的控制方案。该方案综合考虑了如何最大程度地利用风功率,同时保证在风速出现波动时传动系统仍然可以输出恒频转速。确定了适合调速控制系统的异步电机磁场定向矢量控制方法,并在阐述了参考系坐标变换原理基础上,给出了控制系统框图和算法,为调速控制系统设计方案的实现提供了理论支撑。本文在MATLAB环境下建立了风电机组各个构件的模型并对整个系统进行了仿真。为改善系统的响应时间,在对电机进行转矩控制的过程中我们采用了动态模型；为使系统获得最佳运行效果,用转速平面向量法对行星齿轮机构特征参数进行了优化。最后通过仿真分析,得到的仿真结果验证了带有该传动系统的风力发电机组的可行性和设计方案的正确性。
【关键词】：风力发电机组 变速恒频 无级调速 系统控制
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 选题背景及意义10-12
• 1.1.1 全球风力发电的发展现状和趋势10-12
• 1.1.2 国内风力发电的发展现状和趋势12
• 1.2 变速恒频风电机组技术研究现状12-16
• 1.2.1 变速恒频风电机组技术概述13-14
• 1.2.2 现有风电机组前端调速系统方案及分析14-15
• 1.2.3 关于前端调速型风电机组的研究状况15-16
• 1.3 本文研究内容及方法16-19
• 1.3.1 研究的主要内容16-19
• 第2章 变速恒频风电机组的理论及技术基础19-34
• 2.1 风能转换系统的基本理论19-24
• 2.1.1 风功率理论介绍19-21
• 2.1.2 风电机组的结构及技术类型21-22
• 2.1.3 恒速恒频风力发电系统22-23
• 2.1.4 变速恒频风力发电系统23-24
• 2.2 风力发电机组涉及的电机学基础24-27
• 2.2.1 同步发电机结构及原理25-26
• 2.2.2 异步电动机结构及原理26-27
• 2.3 电机调速控制方法27-30
• 2.3.1 矢量控制27-28
• 2.3.2 磁场定向控制28-29
• 2.3.3 直接转矩控制29-30
• 2.3.4 恒压频比控制30
• 2.4 脉宽调制技术30-33
• 2.4.1 PWM调制方法概述30-31
• 2.4.2 正弦脉宽调制方法31-32
• 2.4.3 电压空间矢量调制方法32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 差动调速风电机组总体方案及分析34-52
• 3.1 差动调速风电机组传动系统机构学分析34-40
• 3.1.1 行星齿轮各构件间的转速关系34-35
• 3.1.2 行星齿轮机构的运动学分析35-36
• 3.1.3 行星轮角速度计算方法36-37
• 3.1.4 行星齿轮机构动力学分析37-40
• 3.2 风电机组系统控制方案40-44
• 3.2.1 风力发电机组的功率特性40-41
• 3.2.2 基于风力机功率曲线的最大功率点跟踪控制41-42
• 3.2.3 基于最佳叶尖速度比的最大功率点跟踪控制42
• 3.2.4 基于最优转矩控制的最大功率点跟踪控制42
• 3.2.5 基于最优转矩的最大功率点综合调速控制42-44
• 3.3 交流调速控制系统44-51
• 3.3.1 参考坐标系变换44-46
• 3.3.2 调速电机磁场定向矢量控制方法46-48
• 3.3.3 SVPWM电压空间矢量控制48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 风力发电机组建模及仿真分析52-78
• 4.1 子系统模型的建立52-62
• 4.1.1 风轮模型52-54
• 4.1.2 传动系统模型54-58
• 4.1.3 调速电动机模型58-61
• 4.1.4 永磁同步发电机模型61-62
• 4.2 调速控制系统设计62-70
• 4.2.1 控制策略及算法62-64
• 4.2.2 控制系统参数整定64-66
• 4.2.3 磁通SVPWM控制器模型66-70
• 4.3 仿真结果与分析70-77
• 4.5 本章小结77-78
• 第5章 总结与展望78-80
• 5.1 全文总结78-79
• 5.2 研究展望79-80
• 参考文献80-83
• 在学期间发表论文和参加科研情况83-84
• 致谢84

【参考文献】

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1 苏晓;;2012年全球海上风电发展统计与分析[J];风能;2013年06期

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本文编号：637134