变速恒频双馈风力发电机励磁控制系统的研究与开发

在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天,对可再生能源的开发利用中,风能由于其突出的优点而倍受关注。交流励磁变速恒频双馈发电机系统是目前最具实用前景的风力发电系统之一,该系统的控制方案缩小了变频器的容量,发电机可以在同步速上、下运行,变速运行范围较宽,其定子输出电压和频率维持不变,可实现有功功率、无功功率的灵活控制,既可调节电网的功率因数,又可以提高系统的稳定性。 本文首先对风力发电技术及变速恒频风电技术国内外研究现状作了比较全面的综述,介绍了交流励磁发电机的各种励磁控制策略和发展趋势。通过对交流励磁发电机的三相静止坐标系数学模型和两相旋转坐标系数学模型的研究,采用基于定子磁场定向的矢量控制策略,构建了其有功功率和无功功率解耦控制的双闭环控制方案。利用MATLAB/SIMULINK平台进行了仿真研究,并验证了该方案的正确性,对实际系统的软硬件设计与调试具有一定的指导意义。 接着由于励磁变换器是实现双馈发电机控制的关键,对系统的控制性能和发电机输出电能具有决定性的影响。本文基于交流励磁变速恒频风力发电机的运行特性,研究设计了具有能量双向流动功能的双PWM型变换器,讨论了两个变换器在功能和控制上的不同。网侧变换器采用电网电压定向矢量控制和基于功率平衡的负载电流前馈控制技术,实现交流侧单位功率因数和直流母线电压控制;机侧变换器采用DFIG定子磁链定向矢量控制技术,实现发电机P、Q解耦,进而实现最大风能追踪控制。 最后本文在仿真基础上对双馈风力发电系统进行了初步设计,系统采用一台绕线式异步电机做发电机,使用双DSP分别控制网侧变换器和转子侧变换器,初步设计了电压电流信号检测电路、通讯接口电路、保护电路、控制程序的主要流程图,并且进行了亚同步、同步、超同步等运行实验,实验波形验证了控制策略的正确性、可行性。