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矩阵变换器供电的交流励磁风力发电系统研究

汤宁平  
【摘要】:利用风能这一洁净的能源是人类社会文明进步的表现、是环保理念的体现。在风能利用中,最完善的方案是把风能转换为电能并且送到电网中去,而风力发电目前采用的最佳技术方案是利用交流励磁发电机直接实现变速恒频发电。该系统由于变速范围宽,具有最佳的风能利用系数,是风能发电的发展方向。 交流励磁变速恒频风力发电系统从电能控制的角度来看,它包括交流励磁发电机、交流励磁器和发电控制系统。本文从系统的角度就变速交流励磁发电机的数学模型及其功率传递关系、交流励磁发电机在他控式和自控式运行方式下稳态运行及其过载能力与稳定性问题、新型交流励磁装置--矩阵变换器控制策略以及由矩阵变换器供电励磁的交流励磁变速恒频风力发电系统的控制策略与运行特性进行了研究,取得了如下成果: 1) 给出了基于综合矢量的交流励磁发电机的数学模型,并据此推导了交流励磁发电机定、转子之间的有功、无功功率传递关系,从新的角度明确了发电机有功、无功功率的控制规律。 2) 导出了同步工作方式下交流励磁发电机的有功功率和无功功率的功角特性,从而给出其静态稳定运行区域和反映发电机定、转子电流与发电机定子输出有功功率和无功功率之间的关系的U 形曲线和反映发电机不同运行状态下的矢量图。这些为分析交流励磁发电机在同步工作方式下的运行特性提供了新的理论方法。 3)推导了交流励磁发电机在异步工作方式下的电磁转矩的表达式,进而分析得出在该工作方式下,发电机不受同步方式时的稳定极限功角限制,具有强的过载能力。 4)提出了电压型矩阵变换器的SPWM 控制策略及其实现方案,它具有实现简单,控制开关函数无须复杂的数学计算等优点。样机实验结果验证了其可行性和优良特性。 5)提出了适用于电流型矩阵变换器控制的电流跟踪控制的思想和实现方法。样机试验表明该矩阵变换器的输出相电流的幅值、频率和波形与给定电流相一致,跟踪能力好,动态响应快,电流波形的正弦度较好。 6)分析了以定子磁链定向的交流励磁变速发电机的定子输出功率的控制策略;导出了用发电机转子励磁电流两个分量独立调节发电机定子输出有功、无功功率的控制算法;提出了转子励磁回路由电压型矩阵变换器供电的解耦控制方案。据此给出了最佳风能利用的交流励磁变速风力发电系统的控制方案及其仿真模型。仿真结果表明该系统在最佳功率控制的变速风力发电应用上具有显著的优越性。


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