变速恒频双馈风力发电系统转子侧控制技术的研究
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摘要
随着能源危机和环境恶化问题日趋严重，开源和节流是有效解决能源危机，
改善环境的有效措施。风力发电作为开源的重要方面，近年来得到快速发展，其
中，双馈风力发电系统以其独特的优势成为市场的主流，其变速发电控制技术成
为国内外研究的热点。
响应国家新能源发展的号召，学校正在开发各种新能源科研平台，本课题依
托学校科研平台建设，对变速恒频双馈型风力发电系统转子侧控制技术进行了深
入研究，并进行 11kW 变速恒频双馈风力发电系统研发平台的搭建，主要研究内容
如下：
1．风力发电的一些关键技术研究。首先介绍风力机的原理、类型和特性，在
此基础上深入分析和研究了系统的最大风能捕获，为后文建立风力机仿真模型提
供理论依据。然后分析了目前市场上存在的几种风力发电机系统类型及其特点，
以及变速恒频型双馈风力发电系统的优点。最后介绍了系统所用网侧变流器及并
网控制技术。
2．变速恒频双馈风力发电转子侧控制技术的研究。首先，分析了变速恒频双
馈风力发电机运行的基本原理、能量流动特性及其交流励磁电源，进而对两电平
电压型背靠背的双 PWM 变流器进行了研究。然后建立了双馈风力发电机转子侧变
流器的控制模型，设计了基于定子电压定向（SVO）矢量控制的变速恒频双馈风
力发电系统方案。最后利用 Matlab/Simulink 构建了风力机模型和系统模型，并进
行了仿真研究，仿真结果表明控制策略和技术的可行性，系统实现了有功功率、
无功功率的解耦控制和最大风能跟踪控制。
3．11kW 变速恒频双馈风力发电系统的搭建，系统包括硬件设计和软件设计。
硬件部分主要设计了 DSP 控制板、转子侧变流器、驱动电路、缓冲电路、信号采
样电路和调理电路。软件部分主要是进行 DSP TMS320F2812 编程，包括主程序和
中断子程序的设计。
关键字：变速恒频 双馈感应电机 背靠背双 PWM 变流器 矢量控制
MPPT
ABSTRACT
As the problems of energy crisis and environmental deterioration are serious,
exploring new energy and throttling are effective measures to solve the energy crisis,
and to improve the environment. As an important aspect of the exploring new energy,
wind power has been getting fast development in recent years, and the doubly-fed wind
power generation system with its unique advantages become the mainstream in the
market, and the variable speed power generation control technology becomes a research
hotspot at home and abroad.
Response to the call of the development of national new energy, the school is
developing all kinds of new energy research platforms. Depending on the school
scientific research platform construction, the subject did a research about the VSCF
doubly-fed wind power generation system control technology on the rotor side, and
constructed a research platform of an 11 kW VSCF doubly-fed wind power generation
system. The Paper Mainly Studied:
Some key technologies of the wind power were studied. In the first place, it
introduced the principles, types and characteristics of the wind turbine. On that basis,
the Maximum Power Point Tracking were analyzed and studied. In the second place, the
article analyzed several wind turbine types and characteristics of them on the market at
present, and analysed the advantages of the VSCF type doubly-fed wind power system.
In the end, the paper introduced the grid-side converter used by the development
platform and the grid control technology.
The VSCF doubly-fed wind power generation system control technology on the
rotor side. In the first place, it analyzed that the basic operation principle of the VSCF
doubly-fed wind generator, and that the energy flow characteristics of those, and that the
Ac excitation power of those, then studied the two-level voltage-type of back-to-back
double PWM converters. In the second place, Established a control model of the rotor
side converter, and designed a system of VSCF doubly fed wind power generation
based on the stator voltage orientation
（SVO）
vector control. In the end, the author built
a simulation model of the wind turbine and the system, and did the simulation with
Matlab/Simulink, the simulation results show that, the feasibility of the control strategy
and technique, the system realized the active power, reactive power decoupling control
and maximum wind power tracking control.
An 11kW VSCF doubly fed wind power generation constructed system were built,
which consists of two parts: hardware and software. The main designs of the hardware
wre: the DSP control board, rotor side converter, driving circuit, buffer circuit, signal
sampling circuit and regulation circuit. Similarly, the main design of software was the
programming based on DSP TMS320F2812, which includes the design of the main
program and interrupt procedure.
Key Word ：VSCF; MPPT; Vector control; Back-to-back dual PWM
converters; DFIG
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题背景和选题意义........................................................................................1
§1.2 国内外风力发电发展现状与趋势....................................................................1
§1.2.1 世界风力发电发展现状与趋势..............................................................1
§1.2.2 国内风力发电发展现状与趋势..............................................................3
§1.3 本课题主要研究的内容....................................................................................4
第二章 风力发电技术概述.............................................................................................6
§2.1 风力机概述........................................................................................................6
§2.1.1 风力机类型..............................................................................................6
§2.1.2 风力机特性..............................................................................................6
§2.2 最大风能捕获...................................................................................................8
§2.3 风力发电机系统类型及其特点.....................................................................10
§2.3.1 恒速恒频风电系统与变速恒频风电系统的对比................................10
§2.3.2 变速恒频风力发电系统类型................................................................11
§2.4 网侧变流器及并网控制技术.........................................................................13
§2.4.1 网侧变流器控制技术............................................................................13
§2.4.2 并网控制技术........................................................................................15
§2.5 本章小结.........................................................................................................15
第三章 变速恒频双馈风力发电转子侧控制技术.......................................................17
§3.1 变速恒频双馈发电机运行的基本原理.........................................................17
§3.1.1 双馈风力发电机变速恒频运行的基本原理........................................17
§3.1.2 变速恒频双馈发电机能量流动特性及其对变频器的要求................17
§3.1.3 变速恒频双馈发电机运行的交流励磁电源........................................18
§3.2 双馈风力发电机的数学模型.........................................................................19
§3.2.1 DFIG 在三相静止轴系
abc
下的数学模型 .......................................... 20
§3.2.2 坐标变换...............................................................................................23
§3.2.3 DFIG 在两相同步旋转
dq
坐标系下的动态数学模型 ........................25
§3.3 DFIG 采用定子电压定向的矢量控制策略 ................................................... 26
§3.3.1 两相同步旋转坐标系下 DFIG 的矢量模型 ....................................... 26
§3.3.2 两相同步旋转坐标系下 DFIG 的功率计算 ....................................... 28
2
§3.3.3 DFIG 定子电压
d
轴定向矢量控制策略.............................................. 29
§3.4 本章小结.........................................................................................................31
第四章 变速恒频双馈风力发电系统的仿真研究.......................................................32
§4.1 风力机仿真模型的搭建与仿真研究.............................................................32
§4.1.1 风力机仿真模型...................................................................................32
§4.1.2 风力机仿真模型仿真研究...................................................................32
§4.2 系统仿真模型的搭建和仿真研究.................................................................33
§4.2.1 系统仿真模型的搭建...........................................................................33
§4.2.2 系统仿真结果分析...............................................................................35
§4.3 本章小结.........................................................................................................38
第五章 系统硬件设计...................................................................................................39
§5.1 双馈风力发电系统的总体设计.....................................................................39
§5.2 系统主电路设计.............................................................................................39
§5.3 双馈风力发电变流器的设计.........................................................................41
§5.3.1 功率器件的选择...................................................................................41
§5.3.2 驱动电路的设计...................................................................................42
§5.3.3 保护电路的设计...................................................................................42
§5.3.4 直流母线电容计算如下.......................................................................44
§5.3.5 信号检测电路的设计...........................................................................46
§5.3.6 信号调理电路的设计...........................................................................47
§5.3.7 电平转换电路的设计...........................................................................48
§5.3.8 11kW 双馈风力发电机组 .................................................................. 49
§5.4 双馈风力发电变流器控制电路的设计.........................................................50
§5.5 本章小结.........................................................................................................51
第六章 基于 DSP 的机侧变流器控制策略的软件设计 ............................................. 52
§6.1 DSP 概述 ......................................................................................................... 52
§6.2 机侧控制系统软件设计.................................................................................52
§6.2.1 主程序设计...........................................................................................52
§6.2.2 ADC 中断服务程序 ........................................................................... 57
§6.2.3 定时器中断服务程序...........................................................................57
§6.2.4 系统软件整体设计...............................................................................63
§6.3 本章小结..........................................................................................................64
第七章 总结与展望.......................................................................................................65
§7.1 总结.................................................................................................................65
§7.2 展望.................................................................................................................66
附 录...............................................................................................................................67
参考文献.........................................................................................................................81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................82
致 谢...............................................................................................................................83
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景和选题意义
随着社会的快速发展，能源危机和环境恶化问题日益严重，开发新能源是当
今能源可持续发展的必然要求和趋势，而风能作为最重要的新能源之一，引起了
越来越多的重视，成为研究热点[1-4]。响应国家新能源发展的号召，学校正在开发
各种新能源科研平台，本课题是学校科研平台建设之一——11kW 变速恒频型双馈
风力发电系统。
随着现代电力电子器件制造及其应用技术的飞速发展，风电技术在全球范围
内已取得巨大发展。其中，基于交流励磁变速恒频型双馈风力发电机组已经成为
目前风电开发的主流机型，它突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，该
风电机组对风能具有随机性、多变性的特点，并根据风速的变化，来调节转子励
磁电流频率等参数，保持输出电压频率恒定，并提高风力发电机能量转换效率，
成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势[5-8]。因此，本课题研
究具有重要的现实意义和使用价值。
§1.2 国内外风力发电发展现状与趋势
§1.2.1 世界风力发电发展现状与趋势
丹麦是世界最早利用风能的国家，于 19 世纪末开始研究风力发电，1891 年建
成了世界上第一个风力发电站。直到 1973 年爆发了能源危机，人们开始进一步挖
掘传统能源的替代能源，风力发电凭借自身独特的优势开始受到世界各国的普遍
关注，才得以真正意义上的发展。欧、美等国家开始大力建设风电项目，并在 20
世纪 80 年代建立了世界示范风电场，开始引领世界风力发电的飞速发展。风力发
电也成为 20 世纪末 21 世纪初世界各国大力发展的行业，尤其是从 2001 年开始，
年增长率高达 30%，经过 30 年的飞速发展，风力发电成为世界增长最快的新能源。
近10 年来世界风力发电装机容量的发展变化如图 1-1 所示。
由图可知，10 近十年来，世界风电仍然保持较高的增长速度，增速在 20%以
上。据全球风能理事会（GWEC）预测，未来 5年世界风电还将保持 20%以上的
速度增长，到 2020 年风电装机容量达 1000GW，占电力需求的 12%，每年可避免
15 亿吨的二氧化碳排放量，在“哥本哈根会议”中，相当于发达国家所承诺的到
变速恒频双馈风力发电系统转子侧控制技术的研究
2
2020 年减排达到 50%～75%；到 2030 年，年风电装机容量达 2300GW，占电力需
求的 22%，可避免 340 亿吨的碳排放。
图1-1 2001～2010 年世界风电装机容量变化图
全球风电能得以可持续快速发展，也取决于世界各国风电发展的政策扶持，
也有一些高强度的激励机制，比如各种形式的补贴、价格优惠、贴息不息和税收
减免等。总的看来这些政策机制有三种：一是采取风电上网价格政策，如风电强
制入网和固定电价收购政策，不限制风电发展的数量，为风电市场和制造业提供
了良好的环境；二是采取风电招标机制，政府定制风电发展装机容量，开发商们
可以通过招标的形式参与开发建设，促使风电质量的提高；三是采取可再生能源
的电力配额机制，由政府规定风电占全国电力总量的配额比例，供电公司承担配
额任务，并确保风电上网的有效性。
全球风电技术发展趋势表现为以下几个特点：
（1） 单机容量不断增大。
（2） 风电转换效率不断提高，变浆距功率调节方式逐渐替代定桨距功率调
节方式，变速恒频技术迅速代替恒速恒频技术。
（3） 无齿轮箱系统的迅速发展。
（4） 海上风电受世界各国重视，发展迅速。
（5） 风电场中的机群管理，远程监控系统及无线网络技术的应用。
（6） 新方案新技术新结构新材料将不断被采用。
（7） 风力发电机组重量更轻，更加个性化。
第一章 绪论
3
§1.2.2 国内风力发电发展现状与趋势
我国风能资源比较丰富，位列世界第一，陆上可用风能资源高达 2500GW，海
上可用风能资源高达 7500GW。陆上风能资源主要集中在华北、西北和东北地区。
其中，新疆、内蒙古、宁夏和甘肃是陆上风能储量最为丰富的地区。海上风能资
源主要集中在东南沿海地区。因此，我国风能资源开发潜力巨大，风力发电必将
成为我国未来能源结构的重要组成部分。
自20 世纪 70 年代以来，风电在欧美等国迅速发展，风电技术也日趋成熟。
直到 20 世纪 80 年代中期，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电
网，才开启了我国风电行业。1996 年3月中国实施了“乘风计划”，采取技贸合作
形式，从国外引进先进技术，通过消化吸收，促进了我国自主开发、设计和制造
大型风力机的发展。进入 20 世纪 90 年代，我国风电快速发展，年平均增速 20%
以上，成为我国发展最快的能源行业。尤其是在 2004 年国家发改委起动的“风电
特许权项目”的带领下，进一步加快了我国风电的发展速度。
近十年来中国风电年新增装机容量和累计装机容量如图 1-2，1-3 所示。
图1-2 2000～2010 年中国风电年新增装机容量
其中，2009 年中国风电新增装机装机容量达到 13800MW，位居世界第一，累
计装机容量达到 25800MW，位居全球第二。2010 年中国风电累积装机装机容量增
至 41827GW，位居全球第一。根据 GWEC 所做的“超前景分析”预测，中国风电装
摘要：
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摘要随着能源危机和环境恶化问题日趋严重，开源和节流是有效解决能源危机，改善环境的有效措施。风力发电作为开源的重要方面，近年来得到快速发展，其中，双馈风力发电系统以其独特的优势成为市场的主流，其变速发电控制技术成为国内外研究的热点。响应国家新能源发展的号召，学校正在开发各种新能源科研平台，本课题依托学校科研平台建设，对变速恒频双馈型风力发电系统转子侧控制技术进行了深入研究，并进行11kW变速恒频双馈风力发电系统研发平台的搭建，主要研究内容如下：1．风力发电的一些关键技术研究。首先介绍风力机的原理、类型和特性，在此基础上深入分析和研究了系统的最大风能捕获，为后文建立风力机仿真模型提供理论依据。然后...
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
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时间：2024-11-19
