论文总字数：24694字

摘 要

随着现代工业的飞速发展，风力发电技术得到了越来越多的关注。当前风力发电研究大部分侧重于风力发电机并网运行，但在解决偏远山区、海岛等大电网无法覆盖地区的供电问题上，具有独立运行能力的风力发电机组更具有优势。本文将主要研究双馈型风力发电机独立运行控制策略的设计，主要研究内容包括以下几部分：

首先，本文介绍国内外风力发电现状，并简要阐述不同的风力发电系统。

其次，介绍有刷双馈型风力发电机和独立运行系统的结构和原理，对风力机特性进行分析，利用软件建立风速模型，在不同坐标系下对双馈风机和PWM变换器的数学模型进行分析和研究。

然后，在三相平衡负载下，对系统的矢量控制策略进行设计，主要分析定、转子侧变换器控制，并探讨其中间直流电容的解耦作用，分析PI调节器、PLL模块，对系统控制框图进行绘制。

最后，根据已经得出来的数学模型和系统控制框图，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建独立运行系统仿真模型，验证所提独立运行矢量控制策略的有效性和可行性，从而达到本文的目的。

关键词：独立运行风力发电系统；双馈电机；变换器；控制策略

Abstract

With the progress of modern industry, wind power generation technology have received more attention. Most of the current research focuses on the grid-connected operation. However, in supplying electricity to remote areas that cannot be covered by large power grids, wind turbines with independent operation capabilities have more advantages. This thesis will mainly study the design of independent operation control strategy of doubly-fed wind turbine. The main research content includes the following parts:

Firstly, this thesis briefly describes the current situation of wind power generation in the world, and different wind power generation systems.

Secondly, it introduces the operation principle of the brushed doubly-fed wind generator and the independent operation doubly-fed wind generator system, and analyzes the characteristics of the wind turbine and builds the wind speed model. And it analyzes the generator and the PWM mathematical model in different coordinates.

Then, under balanced load, based on the decoupling effect of the DC capacitance in the PWM converter, the design scheme of vector control strategy for stator side converter and rotor side converter under balanced load is considered in this thesis. It analyzes the PI regulator and PLL module, and draws the system control block diagram.

Finally, according to the obtained model and system control block diagram, under the MATLAB / SIMULINK environment, an independent system simulation model is built and simulation analysis is conducted to verify the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy.

Key Words：independent operation of wind power system；doubly-fed generator；convertor；control strategy

目 录

第1章 绪论

1.1 国内外风力发电现状

1.2 风力发电系统技术的发展 2

1.2.1 变速恒频风力发电系统 2

1.2.2 恒速恒频风力发电系统 3

1.3 研究的意义 3

1.4 本文的主要研究内容 4

第2章 独立运行双馈风力发电系统数学模型 6

2.1 有刷双馈型风力发电机运行原理 6

2.2 独立运行双馈风力发电系统的结构原理 7

2.3 风力机特性 8

2.4 风速模型 9

2.5 双馈风力发电机的数学模型 1

2.5.1 在ABC坐标系下的数学模型 1

2.5.2 在αβ坐标系下的数学模型 3

2.5.3 在dq坐标系下的数学模型 4

2.6 双PWM变换器的数学模型 5

2.6.1 在ABC坐标系下的数学模型 6

2.6.2 在dq坐标系下的数学模型 7

第3章 系统运行机理及控制策略分析 8

3.1 双馈风力发电机的控制原理以及工作状态 8

3.2 双馈风力发电机的矢量控制策略 20

3.2.1 转子侧变换器控制策略 20

3.2.2 负载侧变换器控制策略 23

3.3 仿真结果分析 24

第4章 总结 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 国内外风力发电现状

随着现代经济的蓬勃发展，各行各业越来越离不开能源，因此化石能源得到了大规模应用，但化石燃料资源是有限的、不可再生的，因此其广泛应用导致了一系列问题，如化石燃料资源日趋匮乏、环境问题日趋严重等。为实现能源的可持续发展，关键是采用新能源技术。近些年来，人们将目光投向了新能源，而风能作为其中一种也受到了密切关注，风力发电技术被应用到科技产业中。与其他能源相比，风力发电在各个方面具有优越性，从能源角度来说，风能不仅储藏量大，在自然界中是取之不尽用之不竭的，而且它是清洁能源，不会像化石能源一样对环境造成污染，从实际建设来看，风电场实际占地面积少，并且还有对建设场地的要求低、建设时间短、不需要太高的运行成本等优点，风电场的维护工作量不大，比较容易实现无人值班。

风力发电历史最早可以追溯到19世纪后期，第一台风力涡轮机是由丹麦人发明出来的。1980年代初期由于一场能源危机，一些国家开始寻求新的能源来替代化石燃料进行发电，因此现代风力发电产业逐渐兴起，这些国家对风力发电机组的技术进行改革和创新，并且进行了一系列试验，例如欧洲的一些国家在风电场研究上投资大量经费。在1990年代，许多国家为了促进风能技术的发展制定了许多优惠政策，这也为风力发电技术的发展创造了非常有利的环境。

2018年全球风能发电量超过600GW，在全球十大风力发电国家中，中国装机容量为221GW，是世界风电领导者，美国风电位居世界第二，容量为96.4GW，英国装机容量为20.7GW^[1]。图1.1列出了2018年全球十大风电国家装机容量。

图1.1 2018年全球十大风电国家装机容量（GW）

我国幅员辽阔，海岸线长，风能储藏量大。2018年中国风电装机容量达到221GW，拥有世界1/3以上的风电容量，中国在风力发电方面处于全球领先地位。纵观我国风力发电技术发展的历史，该产业一共经过了两次黄金时期，分别是从2005年到2010年以及从2013年到2015年，2018年之后的飞速发展主要是由于一系列鼓励政策以及科技发展的推动，图中给出了三年间我国风电装机容量的数据^[2]。

图1.2 2016年至2018年我国风电新增装机容量

图1.3 2016年至2018年我国风电累计装机容量

1.2 风力发电系统技术的发展

风力发电系统有多种分类方式，例如可以按照叶片、电机种类、地区、功率大小等划分，但就单从技术上来看，主要分析系统的控制策略和性能参数，我们可以将风力发电系统划分成两大类，分别是变速恒频风力发电系统（VSCF）和恒速恒频风力发电系统（CSCF）。

1.2.1 变速恒频风力发电系统

VSCF的兴起最早可以追溯到1970年。该系统具有如下特点：由于风速具有随机性和时变性，风速会影响到发电机的转速，而在这个系统中转速能够在较大范围内发生变化，发电系统的输出性能也不会受到转速的影响，这样的设计不仅提高了风力发电的效率，也使得系统运行更加稳定。通过控制励磁、调节变桨距，可以使风机在风速变化的情况下也运行在最佳工作状态，几乎保持恒定的最佳风能利用系数，这样才能最大限度地捕获风能。另外，当风速在短时间内发生很大的变化，甚至是跃变时，系统机械传动轴会随之产生扭矩的波动，这些转矩波动会给整个系统造成一系列不好的影响，例如给机械轴带来较大的扭矩和应力，使得机械轴无法承受，在变速恒频风力发电系统中，这些问题可以通过风机调速来避免，并且将转矩波动作为能量储存下来。最后，从风电并网的角度来说，该系统可以实现软并网，这是通过其控制技术实现的，这种并网过程相比其他并网方式更加平稳，并且电流不会给系统造成冲击或者影响系统性能，目前，兆瓦级的大容量变速恒频风力发电系统已经成为了主流^[3]。

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