由于化石能源终将耗竭以及严重的环境污染,充分开发和利用可替代的清洁可再生能源是解决能源问题和环境问题的必然选择。风能作为全球发展最快的可再生能源,风力发电已成为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术。并网运行的风力发电由于得到大电网的补偿和支撑,已成为风力发电的主流。同时,双馈电机由于具有变速运行、有功无功可解耦控制、转差功率小等优点成为最广泛应用的变速恒频风力发电机型。
本论文以变速恒频双馈(电机)风力发电系统作为研究对象,对其进行了包括运行原理分析、控制策略实现、系统建模及仿真等工作。主要的研究内容有以下几个方面:
1、在研究了风力机风能捕获、传递及最大风能追踪控制算法的基础上,建立了风力机传动链仿真模型,并用MATLAB/Simulink编写了三种不同风况的风速曲线程序,用以对风力发电系统的仿真进行风况模拟。
2、对双馈电机运行原理及稳态模型进行介绍后,推导了三相静止坐标系下的双馈电机数学模型,并以此为基础推导了适于应用的其模不变两相同步旋转坐标系下的数学模型。并结合最大风能追踪控制算法,基于P、Q解耦思想,对双馈电机发电运行时定子磁场定向控制策略进行了分析。在对双馈电机发电运行原理进行深入分析的基础上,将双馈电机的数学模型转化为能反映其控制思想的状态方程,利用MATLAB/Simulink分别对电机电量和机械量进行了S函数编程建模,组合成了双馈电机在发电运行时的仿真模型,再结合定子磁场定向控制策略对整个风力发电系统进行了建模。
3、介绍了双馈电机空载并网和负载并网两种并网方式,并结合两相同步旋转坐标系下双馈电机数学模型着重对空载并网进行了基于电机定子磁场定向控制策略的分析,得出了不同于电机发电运行时的数学模型。与发电运行一样,将空载运行的双馈电机数学模型也转化为状态方程,进行了S函数编程建模,再以双馈电机空载模型为中心建立了空载运行时风力发电系统的仿真模型。最后将双馈电机空载运行和发电运行两个阶段的不同子系统模型加上风力机传动链,整合成一个完整的变速恒频双馈风力发电系统仿真模型。对系统模型进行了三种不同风况的仿真,对电机电量变化、功率流动、解耦控制、最大风能追踪等仿真结果进行了分析,验证了理论分析的正确性和系统的可靠性。
4、对网侧变换器的工作原理进行了介绍,在此基础上推导了网侧变换器模不变两相同步旋转坐标系下的数学模型,并对电网电压定向的网侧变换器控制策略进行了分析。对直流电压利用率更高的SVPWM控制算法进行了深入推导,为消除死区,利用S函数进行编程建模,替代传统的开关模块搭建,得出了可靠的仿真结果。利用MATLAB/Simulink自建了网侧变换器拓扑模型,结合电网电压定向控制策略建立了整个网侧变换器控制系统的仿真模型,并对模型进行了整流和逆变两种工况的仿真,得到了理想的结果。
本论文对变速恒频双馈风力发电系统进行了深入分析,对核心的环节进行了基于状态方程的S函数建模,整个系统的仿真模型及结果分析具有极高的实用价值,也为本人在今后的工作中对风力发电的研究奠定了良好的理论基础。
