双馈风力发电系统双PWM变流器技术的研究

河北工业大学硕士学位论文变速恒频双馈风力发电系统双PWM变流器技术的研究姓名：王世涛申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：张惠娟2010-11河北工业大学硕士学位论文变速恒频双馈风力发电系统双PWM变流器技术的研究摘要随着世界能源日益紧缺，可再生能源已经得到了广泛的重视，而风能作为一种具有较大潜能的可再生能源开发形式在众多清洁能源中得到了较快的发展。风力发电技术已经成为世界各国学者研究的热点。本文围绕变速恒频双馈风力发电系统双PWM变流器控制技术展开。研究了双馈感应发电机(DFIG)和双PWM变流器的基本原理，分析了双馈感应发电机在三相ABC静止坐标系下的数学模型，并根据坐标变换原理，推导出两相旋转坐标系下双馈电机的数学模型；分析了双PWM变流器的基本拓扑结构和运行原理，为建立系统的仿真模型奠定理论基础；qd−根据网侧PWM变流器的基本拓扑结构，建立了数学模型，依据网侧变流器的控制目标，采用了电网电压定向矢量控制策略，根据控制策略的双闭环控制结构，设计出控制电路PI参数整定方法，采用了空间矢量脉宽调制(SVPWM)，实现了对网侧变流器的控制，昀后用MATLAB/Simlink搭建仿真模型，验证了控制策略的正确性；运用定子磁链定向控制理论和双馈电机qd−坐标系下的数学模型，设计出转子侧PWM变流器的控制策略，根据控制策略的双闭环控制结构，给出了电流内环和电压外环的PI参数整定计算方法，采用ω−u型定子磁链观测器，实现了磁链的准确的测量，昀后用MATLAB/Simlink搭建仿真模型，仿真结果验证了控制策略的正确性；在网侧PWM变流器和机侧PWM变流器仿真研究基础之上，将网侧与机侧连接构成完整的大系统，对整个系统进行仿真研究。仿真结果表明本文给出的控制策略和参数整定方法能够使双馈异步电机能快速跟随风速变化，满足了网侧和机侧控制目标，实现了变速恒频运行条件，验证了整个系统设计的正确性。关键词：变速恒频；DFIG；矢量控制；PWM变流器；风力发电i变速恒频双馈风力发电系统双PWM变流器技术的研究iiRESEARCHONDUALPWMCOVERTERTECHNOLOGYFORTHEVSCFDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATIONSYSTEMABSTRACTWiththeincreasingscarcityoftheenergyintheworld,renewableenergyhasbeenattachedgreatimportancewidely.Asonekindofcleanenergy,windenergyhasgreatpotentialandhasbeendevelopedrapidly.Windpowertechnologyhasbecomearesearchhotspotamongscholarsaroundtheworld.Focusingonvariablespeedconstantfrequency(VSCF)doublyfedwindpowergenerationsystemdualPWMconvertercontroltechnology,thepaperiswrittenasfollow.Firstly,basicprinciplesofVSCFdouble-fedgeneratoranddualPWMconverterarestudied,andDoublyFedInductionGenerator(DFIG)mathematicalmodelbasingonABCthree-phasestationarycoordinatesystemisanalyzed.Baseontnecoordinatetransformationprinciple,theDFIGmathematicalmodelbasingond-qcoordinateisderived,andthebasetopologyandoperatingprincipleofdualPWMcoveterisanalyzed.itestablishthetheoreticalfoundationofcreatingthesystemsimulationmodel.Moreover,accordingtothebasicstructureofPWMGridSideConverter(GSC),amathematicalmodelhasbeenestablished.ThevoltageorientedcontrolschemeisutilizedtomeetthegoalofGSCthatitiscontrollable.AndthenthedoublecloseloopcontrolprovidesthesettingofPIcontrollerutilizingthespacevectorpulse-widthmodulation.Finally,ademonstrationofthecontrolschemehasbeenshownbyMATLAB/Simlink.Inaddition,astatorfluxorientedcontroltheoryandDFIGmathematicalmodelbasingond-qcoordinateisemployedtodesigntheRotorSideConvertercontrolscheme.AdiscussionofdoublecloseloopadjustorcontributestobothcloseandopenloopofthePIsettingusingau-wmodelstatorfluxmonitor.Next,thisprocesshasbeenprovedbyMATLAB/Simlink.Lastly,basedonthestudyofbothGSCandRSC,bothoftwosideisconnected,thewholesimulationofthissystemisbuiltbyMATLAB/Simlink.TheresultsshowtheDFIGperformsasthewindspeedchangingwhichismeettherequirementofGSCandRSC.Therefore,thisistheconditionofvariablespeedconstantfrequencyanditprovesthecorrectnessofthesystemdesigned.KEYWORDS:VSCF,DFIG,vectorcontrol,PWMconverter,windpower河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1课题背景及选题意义人类社会的发展长期以来一直依赖以煤炭、石油为主的传统能源，然而随着社会的不断发展，经济规模不断扩大能源资源的短缺以及由于传统能源利用带来的环境问题已经制约着人类的进步。为了应对不可再生能源的日益枯竭和环境污染问题，风能、太阳能等可再生能源的利用为人类的提供了一条可持续发展的道路。风能取之不尽用之不竭，它作为太阳能的转换形式在转变成电能的时候不产出任何的有毒气体和废物，它的合理开发有效的缓解了目前的能源匮乏并在远期上能成为世界能源重要的替代能源。地球上可以利用的风能资源是MW为地球水能资源的10倍，高达每年53万亿千瓦时。与传统发电相比，风能发电有不消耗资源、不污染环境、运行维护简单、可靠性高等诸多优点[7102×1]。风电发展起始于20世纪70年代，80年代开始建立示范风电场，在过去的20年里，风力发电的发展速度超乎寻常，并且保持着世界新能源增长速度第一的位置；截止2008年末，全球累计装机容量达到120.8GW，增长幅度为28.8%，高于近十年的年均复合增长率平均值；我国幅员辽阔风能资源比较丰富，仅10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，全国平均风功率密度为100W/m2，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦；截至2008年末，我国累计风电机组11600多台，装机容量约1215.3万千瓦[2]。欧美公布的2030年风电发展目标，提出2030年风电要满足20%甚至更多电力需求，3亿千瓦的规模，这也为全球风电的长期发展定下了宏大的目标。2008年国际能源署（IEA）颁布的《2050年能源技术情景》断定，2010—2050年全球风电平均每年增加7000万千瓦。开发利用风能资源，需要许多现代高新科技的支持，尤其需要现代电力电子技术和自动化控制技术，将先进的现代电力电子技术以及自动化控制技术应用于风力发电系统中，是提高风力发电的效率、改善电能变换质量、提高风机可靠性、降低风力发电的成本的有效途径[3]。近几年来我国的风电产业到了良好的发展，良好的政策促使风电产业犹如雨后春笋，风电各方面的技术和经验也显著的提高，但是，不容忽视的是我国在风电产品的自主研发和创新能力仍然比较低下，尤其是在大型变速恒频风力发电机组研制方面，我国还处于刚刚起步阶段，在风力发电技术领域我国与世界风电强国尚存在较大差距，很多大型变流器仍然依靠进口，因此，结合中国的基本国情，使清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，跟踪国外技术发展，深入研究变速恒频风力发电技术，研发具有我国自主知识产权的机组，对提高人们的生活质量，促进我国风电以及相关产业的发展有重要的社会效益和经济意义[3]。1变速恒频双馈风力发电系统双PWM变流器技术的研究§1-2国内外风力发电研究现状及发展趋势§1-2-1世界风电发展现状风力发电的研究昀早开始于19世纪末，丹麦人在1891年建成世界上第一个风力发电站。1973年爆发能源危机后，风力发电才能得到真正的发展，为了寻求传统燃料的替代能源，欧、美等地区国家投入大量的人力、经费，并在80年代建立了示范风电场，开创了风力发电的新纪元。在过去的30年来，由于全球多个国家积极促进风电产业的发展，风电产业得到了突飞猛进的增长，并且一直保持着世界增长昀快的能源地位。从2001年开始，风力发电的年增长率高达30%，高于近十年的年均复合增长率平均值。2图1.11998-2008年全球风电装机容量变化图Fig1.1Theglobalmapchangeofwindpowerinstalledcapacityin1998~20082000年风力发电新增装机容量为3760MW，2001年新增装机容量达到了6500MW，增长幅度达到72.87%；而2007年新增装机容量达到了20073MW，2008年达到26678MW，新增装机容量增速分别达到了34.2%、32.9%，2008年风机累计装机容量己达120798MW，成为了非水电可再生能源中第一个全球装机容量超过1亿千瓦的电力能源；图1.1列出近10年来全球风电新装机容量的发展变化情况；2009年全球新增风电装机37466MW，累计风电装机157899MW[4]。纵观国际，世界风电的政策环境良好，许多国家分别采取了相应措施来激励风电行业的发展，目前来看支持风电发展的政策机制一般有三种[4]：（1）采取上网风电价格固定的收购机制，不限制风电发展的数量；（2）采取风电投资招标机制，由政府规定风电发展的装机容量，开发商通过招标竞争参与开发建设；（3）采取配额制，政府规定可再生能源电力占全国电量总量的配额比例，由供电公司完成配额，确保风电有效上网。政府的激励政策在风电产业发展过程起着举足轻重的作用，高强度的激励机制（如：各种形式的补贴、税收减免，贴息补息、价格优惠等）是促进风电产业发展，克服发展障碍的关键措施。02000040000600008020052006200720080%5%10%15%20%25%30%35%40%000140000累计装机总量增速120000累计装机100000功率MW1998199920002001200220032004河北工业大学硕士学位论文2009年对于中国风