变速恒频双馈风力发电系统直接功率控制技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着能源和环境矛盾的日益显现，实行可持续发展战略已经迫不及待，在这个背景下，新能源开发和利用成了目前电力电子领域最热门的议题之一被视为最有潜力成为继火电、水电之后的第 3 大发电能源——风力发电越来越受到国内外专家学者的重视早期的风力发电系统采用恒速恒频发电系统，这种系统有风力利用率低、机组机械部件承受的应力大等缺点，使得变速恒频双馈感应发电机系统成为今后风力发电领域的发展方向本文围绕着变速恒频双馈感应发电机系统的直接功率控制策略进行了较为深入的研究，主要内容如下： 研究了高频整流器的直接功率控制策略在传统基于电压定向矢量控制的基础上推导了基于直接功率控制策略的整流器数学模型，建立了直接功率控制系统框图，给出高频整流器瞬时有功和无功功率的估算表达式及其基于固定开关频率直接功率控制的实现方法， 进而在 Matlab/Simulink 仿真平台上建立整流器的仿真模型， 验证了直接功率控制应用于整流器系统的有效性 研究了转子侧逆变器的直接功率控制策略首先建立了双馈感应发电机并网运行时的数学模型，推导了基于定子电压定向矢量控制框图及其实现方式。

进而提出基于空间矢量调制策略的直接功率控制，这种控制策略不仅提高了动态响应速度，而且实现了固定开关频率本文从原理到理论详细地推导了直接功率控制系统的控制器设计及其实现方式最后在 Matlab/Simulink 仿真平台上建立了双馈感应发电机仿真模型，通过对定子电压定向矢量控制和直接功率控制的对比仿真，分析了直接功率控制的优势 最后，在一套变速恒频双馈风力发电系统的实验平台上对转子侧逆变器的控制策略进行了实验研究首先详细介绍了实验系统的构造，然后着重讨论了在实际实验系统中控制框图的实现方法最后给出各种工况下的基于直接功率控制策略和基于定子电压定向矢量控制策略的相关实验波形并做了详细的对比分析实验波形表明：本文提出的直接功率控制策略不仅实现了固定开关频率，系统的暂态响应速度相对于传统矢量控制策略也得到一个数量极的提高 关键词：：变速恒频 风力发电 双馈感应发电机 直接功率控制 电压定向矢量控制 II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the more and more serious conflict between energy and environment, the strategy of sustainable development becomes very important for the world. In this context, the development and use of renewable energy is one of the most popular topics in the field of power electronics. The wind power is supposed to be the third biggest potential generating energy, following the thermal energy and hydro power. So the wind power becomes more and more attractable. In traditionally, the constant speed constant frequency (CSCF) is most wide used in the wind power system. But the wind-electric energy conversion efficiency of this system is low and the mechanical Components stress of wind turbine bear is very large. The variable speed constant frequency (VSCF) wind energy generation system with doubly fed induction generator (DFIG) becomes the alternative developing direction of the wind power. The direct power control strategy (DPC) for the DFIG system of VSCF is studied in this paper. The primary content and original contributions of this dissertation are as follows: First, the direct power control strategy (DPC) for grid-side rectifier is studied. Base on the model of voltage oriented vector control strategy (VOC), the mathematic model of rectifier for DPC is analyzed and the corresponding control scheme is developed. The estimating equation for instance active and reactive power is derived. The way to achieve the constant switching frequency for DPC is introduced. The simulation models of rectified on Matlab/Simulik environments are established. The simulation results verify the DPC for the system of rectifier. Then, a DPC strategy for the rotor-side converter is studied. The mathematical models of the grid-connection DFIG are established and the control scheme based on classical grid-flux oriented control (FOC) is derived. The DPC strategy using space-vector modulation (DPC-SVM) applied to the DFIG is present and the corresponding mathematic model and DPC scheme are developed. Also, the models of DFIG system with the rotor-side converter on Matlab/Simulink environments are established. With comparing the simulation results of FOC and DPC, the merit of the DPC is discussed. Finally, the control strategies are carried out on the real platform of VSCF wind energy generation system with DFIG. The structure and the way to achieve the control strategy scheme in real experimental platform system are introduced. The comparisons of FOC and DPC are carried out in terms of several different operations. From the experimental results, we can get the conclusion that the proposed DPC strategy applied to DFIG allows to obtain the combination of constant switching-frequency, and 10 times quicker dynamic response than the FOC. Keywords: Variable speed constant frequency (VSCF) Wind energy generation Doubly fed induction generator (DFIG) Direct power control (DPC) Voltage oriented vector control III独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密□，在______年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密□ （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 国内外风力发电的发展现状 历史上，没有哪个国家能在崛起为经济大国的同时不造成大量环境破坏的，这些环境问题将需要几十年时间和大量公共财富才能加以整治。

中国作为新兴的发展中国家，随着现代工业的发展，对煤和石油等一次能源的需求越来越大，2007 年以来电煤价格飙涨给中国的能源问题敲响了警钟，与此同时中国能源和环境的矛盾日益显现，为实现能源的可持续发展，我们国家必须加紧对新能源和可再生能源的开发目前常见的二次可再生能源有，水能、风能、太阳能三种我国已经加大了对水电二次能源的开发力度， 但是到 2030 年后大部分水能资源将被开发[1]， 而太阳能由于成本高的问题难以形成规模，风力发电能够以其良好的社会和环境效益、日渐成熟的技术，逐步降低发电成本，有望成为继火电、水电之后的第 3 大发电能源 目前风力发电在欧洲一些发达国家已经能够挑战传统能源了，丹麦风电占全国发电总容量的的 20%，德国北部为 35%；对于欧洲第 5 大国西班牙来说目前风电为全国提供了 10%的电力，而西班牙政府制定的目标是到 2010 年比例提高到 15%[2]这些国家对风电的成功利用，也给世界各国树立了成功的典范。