论文总字数：18080字

摘 要

人类经济社会的不断进步已经导致了当前煤炭、石油等重要的化石燃料和能源不断被大量开采，能源危机已逐渐成为当前全球人类共同面对的严峻社会问题。为了解决能源的需求、减少环境恶化，风力发电技术应运而生，在最近几年内发展十分迅速。变速恒频发电技术具有在较大范围内对转速进行调节等优点，并且实现了电力网络与风力发电机组之间的柔性连接，因此在风力发电技术中得到了广泛的关注和研究。其中研究双馈电机的控制策略是十分重要的研究部分。本次设计对采用双馈电机的风能发电系统进行了详细的研究和分析。研究的主要内容有：

首先，本文对近几年国内外风力发电的情况做了较为全面的研究，展示了几种不同的风力发电技术情况，比对分析了几种发电方式的优劣性。

此外，研究了双馈风电机的系统模型，包括电机模型、转子侧的变流器及其控制模型以及电网侧的变流器及其控制系统的模型。双馈发电机模型包括三种条件下的数学模型：坐标系，坐标系和坐标系。

接下来更深入的分析探究双馈发电机的矢量控制策略，在此基础上构建了双馈风力发电系统。

最后利用MATLAB/SIMULINK建立各部分的对应模块，搭建出双馈感应发电系统整体的仿真模型。设计适当的条件，在该条件下进行仿真并做进一步分析，通过仿真结果证明控制策略的准确性和有效性。

关键词：风力发电；双馈发电机；矢量控制；MATLAB

Abstract

The continuous progress of human society has led to the continuous exploitation of energy sources . The energy crisis has become a serious phenomenon. For solving the energy demand and reduce degradation, in recent years, wind energy technology has evolved rapidly. As a kind of variable-speed constant-frequency power generation technology, doubly-fed induction power generation technology has flexible and effective control of active and reactive power, improves power quality and adjusts speed in a wide range so it has received extensive attention and research in the wind power generation technology. Researching the control project of doubly-fed motor is a vital research part. This design is based on the vector control strategy of the stator field orientation of the doubly-fed generator. The doubly-fed wind system is analyzed in detail. The feasibility and effectiveness of the control strategy are verified by simulation in MATLAB / SIMULINK. The main contents of the research are:

First of all, this paper has made a comprehensive study on the status of wind power generation in China and foreign countries, introduced several different wind power generation technologies, and compared the advantages and disadvantages of several power generation methods.

Then, determine the mathematical model of the wind turbine system, including the model of the dual power generator, the converter on the rotor side and its control model, and the grid-side converter and its model. The models of doubly-fed generators include mathematical models under three conditions: three-phase static coordinate system, two-phase rotating coordinate system, and two-phase static coordinate system.

Next, a more in-depth analysis of the vector control strategy of doubly-fed generators will be carried out,Focus on the analysis of the stator flow oriented to the vector control strategy. On this basis, a dual-power wind system will be constructed.

Finally, MATLAB / SIMULINK is used to establish the corresponding modules of each part, and the overall simulation model of the doubly-fed induction power generation system is built. Carry out simulation analysis under suitable conditions, and prove the control strategy according to the results obtained by the simulation.

Keywords: wind power generation; doubly-fed induction generator; vector control; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 国内外风力发电的发展现状 1

1.2 现阶段风力发电技术概括 1

1.3 双馈风力发电系统控制策略综述 3

1.4 研究的意义 4

1.5 主要研究内容 4

第2章 双馈风力发电系统数学模型的建立 5

2.1 风力机模型 5

2.2 双馈发电机模型 6

2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型 7

2.2.2 两相静止坐标系下的数学模型 9

2.2.3 两相同步旋转坐标系下的数学模型 10

2.3 三相电压型PWM变流器的数学模型 11

2.4 本章小结 12

第3章 双馈发电机的矢量控制策略 14

3. 1双PWM变换器原理 14

3.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 14

3.3 转子侧变流器及控制策略 16

3.3.1 基于定子磁链定向的矢量控制策略 16

3.3.2 转子侧变流器及其控制模型 18

3.4 网侧变流器及其控制策略 19

3.4.1 基于定子电压定向的矢量控制策略 19

3.4.2 网侧变流器及其控制模型 20

第4章 双馈风力发电系统的仿真与分析 22

4. 1双馈风力发电系统仿真模型 22

4. 2仿真结果分析 24

第5章 总结 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 国内外风力发电的发展现状

煤炭、石油等化石能源被不加克制的发掘，其储存量不断减少，在不久的未来人类将会面临形势严峻的能源危机。为了解决能源需求的增加和环境的恶化，一种利用新能源发电的技术得以产生。除去传统的借用水力发电以外，风力发电是一种相对先进的可再生能源技术，具有储量充足、不破坏环境、施工周期短、占用土地资源少、要求低等优点，因此，目前世界上各个国家都在大规模研究发展风力发电技术。

目前地球上的风能总量约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2.74×10⁷MW，地球上可以被开发利用的水能总量大概只有风能的十分之一^[1]。风力发电体现出了很大的优越性：风能作为一种清洁的生态自然资源，取之不尽，用之不竭，不会造成严重的污染问题；风力发电技术正在不断发展和进步，性能可靠，能源利用率高；技术上的改进同时也提高了风力发电的经济性，发电所用的成本较低；而且设备的建设周期较短，风力机组安装简便灵活。由此可知风力发电的好处不胜枚举，其作为一种可以被商业化利用并具有较大开发潜能的可在生能源发电形式，在近几年得到了较快的发展。

如今，风力发电已在世界范围内的引起了一场发展浪潮。荷兰、德国、丹麦是目前国际上风能利用率最高，相关技术最为先进，发展势头最好的国家。从全球风电装机容量方面来看，近年来全球风电装机容量一直处在上升状态，从2012年至2016年的年均增长率为5％^[1]。从2016年到2017年，风力发电行业的增长势态仍然十分迅猛。中国和其他亚洲国家给予风力发电产业的政治支持将继续使风电行业升温。

我国的风能储量非常大，是世界上风能资源最丰富的国家之一。我们国家的风能资源主要分布东南沿海和内陆地区，这些地区的可用风能总储量大约有2亿千瓦，由此可见我国有很大的发展风能发电的空间。与世界其他国家相比，中国在中后期才开始发展风能，在国家的扶持政策下，我国风电的发展规模不断扩大，风电技术也取得了较大的进步。到2015年，我国新增装机容量30753MW，累计达145362MW。预计到2020年，中国风电机组的总装机容量将达到1.5亿千瓦，超过了电力总装机容量的10％^[1]。

1.2 现阶段风力发电技术概括

风力发电技术可以分成恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术两大类^[20]。

恒速恒频风力发电系统的缺陷明显。首先，风能利用效率较低，这是因为当改变外界风速时连接发电机的风力机的转速不会随着风速而改变。其次，当风速突然发生剧烈改变时，风能的巨大变化将通过风力涡轮机传递到机械零件上去，例如主轴、齿轮和发电机等。而较大的机械应力施加到零件上后很可能会导致部件疲劳损坏。当这个问题反复出现时就要想办法增大安全系数，这将增加了各组成部件的重量并提高了制造成本。然后就是并网时可能产生较大的冲击电流。

变速恒频发电技术一种新型风电技术，使用变速恒频系统的优点是十分显著的：

1. 发电系统与电网之间通过变换器连接，提高了电力系统调节的灵活性和动、静态稳定性。
2. 风速发生跃变时产生的巨大能量大部分被电网吸收，使得风力发电机内部部件受到的应力变化较为平稳，因此能有效避免主轴、齿轮箱等机械部件受损，提高了设备的安全性能。
3. 可以实现软并网，保证了系统运行的稳定性。

变速恒频风力发电系统有多种类型。双馈风力发电系统的控制是在转子电路进行，通过调节转子侧电流的频率就可让定子侧输出稳定的电能。因此相比于发电机额定功率，流过转子回路的转差功率只是很小的部分^[6]。也正因如此变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，这大大减小了变频器的重量和体积，提高了系统的经济性^[8]。双馈发电机变速恒频风力发电系统的结构如图所示：

图1.1 双馈感应发电机风力发电系统

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