双馈风力发电机基于定子磁链的矢量控制系统设计.docx

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1、辽宁工程技术大学微电网技术课程设计设 计 题 目：双馈风力发电机基于定子磁链的矢量把握系统设计院系、部：电气与把握工程学院专 业 班 级：智能电网信息工程姓名：苏小平学号：1305080116指 导 教 师：刘春喜 宋立业日期：2023-10-12电气工程系课程设计标准评分模板课程设计成绩评定表学期专业课程名称2023/2023 第一学期智能电网信息工程微电网技术姓名苏小平班级电网 13-1问题问题较多很大完整较完整根本完整缺项较多不完整很精彩较精彩一般较差很差合理、美观较合理根本合理有些混乱布局混乱成绩评分工程1.设计态度设 2.设计纪律计3. 独立工作力气表现4. 上交设计时间优格外认真严

2、格遵守强提早或按时认真遵守较强按时良中较认真 根本遵守能独立设计完成迟交半天设计思路较清楚，构造方案根本合理， 设计参数选择根本正确， 调理清楚，内容根本完整， 有少量错误根本标准、干净、有条理， 个别排版有及格一般少量违反根本独立设计完成迟交一天设计思路根本清楚，构造方案根本合理，设计参数选择根本正确， 调理清楚，内容根本完整，有些错误根本标准、干净、有条理， 排版有问题不及格不认真 严峻违反不能独立设计完成迟交一天以上设计思路不清楚，构造方案不合理，关键设计参数选择有错误， 调理清楚，内容不完整，有明显错误不标准、不干净、无条理， 排版有问题7.封面、名目、参考文献图 8.绘图效果纸 9.

3、布局根本符合标 个别不符合 完全不符合10.绘图工程标准符合标准较符合标准准标准标准评定说明：不及格标准：设计内容一项拒绝制，即5 为不及格，整个设计不及格，其他4 项拒绝；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等 级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4 项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩：评定教师签字：设计题目双馈风力发电机基于定子磁链的矢量把握系统设计5.设计内容设计思路清晰，构造方案良好，设计参数选择正确，设计思路清晰，构造方案合理，设计参数选择正确，设计说条理清楚，内容完整，结果正确条理清楚，内容较完整，极少量

4、错误明书6. 设计书写、字体、排版标准、干净、有条理，排版很好较标准、干净、有条理， 个别排版有课程设计任务书一、设计题目双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量把握系统设计 二、设计任务1、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量把握原理分析。2、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量把握系统构造分析。3、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量把握系统实现。4、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量把握系统仿真验证。三、设计打算微电网技术课程设计共计 1 周内完成： 1、第 12 天查资料，生疏题目；2、第 35 天方案分析，具体按步骤进展设计及整理设计说明书；3、第 6 天预备辩论；4、第 7 天辩论。

5、四、设计要求1、设计工作量为完成设计说明书一份；2、设计必需依据进度打算按期完成；3、设计说明书必需满足微电网技术课程设计格式要求前方可辩论。指 导 教师： 刘春喜 宋立业教研室主任： 宋立业时间： 2023 年 11 月 25 日摘要此次课程设计承受的是双馈风力发电机DFIG实现变速恒频发电。首先分析了 DFIG 变速恒频发电的根本原理，为全文的争论奠定了理论根底，推导双馈风力发电机在三相静止坐标系 abc 下的数学模型，通过坐标变换得到两一样步旋转坐标系 dq 下的数学模型， 从而简化了双馈风力发电机各变量之间的关系，通过 matlab/sinmulink 搭建仿真，证明数学模型的正确性。

6、接着基于定子磁链定向实现双馈风力发电有功与无功解耦把握和并网把握，实现简洁，动态性能和鲁棒性较好。最终针对定子侧和网侧变换器在功能和把握上的异同，承受双 pwm 型变换器把握方案，进而实现定子侧变换器功率把握和网侧直流电压把握。关键词：双馈风力发电；变速恒频；坐标变换；磁链定向名目第一章 绪论11.1 风力发电的现状11.2 本文的主要争论内容1其次章 双馈风力发电机的根本理论22.1 DFIG 的特点22.2 DFIG 变速恒频运行的根本原理2第三章 沟通励磁发电机定子磁链定向矢量把握策略争论43.1 根本的坐标变换关系43.2 同步旋转坐标系下双馈发电机数学模型43.3 DFTG 励磁系统

7、矢量把握方法53.4 矢量把握系统构造框图6第四章 变速恒频风力发电系统仿真争论84.1 坐标变换仿真84.2 变速恒频风力发电系统仿真模型9第五章 结论11参考文献12第一章 绪论1.1 风力发电的现状随着经济高速进展对电能依靠程度的增加，电力系统的规模不断加大，构造也日渐复 杂。近年来，随着节能和环保压力不断加剧，合理有效地利用能源已成为重中之重，同 时，可再生能源发电在发电系统中所占比重渐渐增加，尤其是资源丰富且技术相对成熟的 风力发电。依据国家能源局制定的可再生能源进展“”规划1中的风力发电发 展规划,中国风力发电 2023 年并网装机容量将到达 1 亿 kw，年发电量超过 1900

8、亿 kwh； 2023 年将到达 2 亿 kw。文献2中提出风力发电是能源进展技术中最成熟、最具有规模开发和最具有商业化进展前景的发电方式。文献3提出目前，大型风电技术中，主流技术和首选方案是承受沟通励磁双馈型变速恒频风电系统，而中小型机组可以选用交 -直-交型的风电系统，同时，风电技术正朝着大容量、低本钱、高效率、长寿命、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向进展。文献4 提出世界风能陆上资源储量约4104TWh，该值为世界电力需求的 2 倍以上，而海上资源储量为陆上的 10 倍，陆上风电机组商业装置的设备利用率必需到达 20%25%，海上风电机组建设费用上升，到达本钱核算有利水平

9、的设备利用率需 35%40%，欧洲海上风电机组的设备利用率已有数例大幅度超 过 40%。1.2 主要争论内容本次课程设计所讲的双馈异步电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机的调整量有三个，励磁电流幅值、频率和相位。通过转变励磁频率，可以转变发电机的转速，到达调速的目的。通过转变转子励磁的相位时，可以转变电机的功率角，进而可调整有功、无功功率。本文所表达的时一种基于定子磁链定向的矢量把握策略，该把握策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功和武工队的独立解耦把握，是一种主流把握手段。10其次章 双馈风力发电机的根本理论2.1 DFIG 的特点由

10、于沟通励磁电机有三个可调量，通过励磁调整，不仅保持了同步机的可以调无功功率的优势，还能调速、调整有功功率，因此他的应用范围很广泛。双馈发电机具有三种运行状态：（1） 超同步运行状态，就是转子转速超过电机的同步转速时的一种运行状态，是正常发电状态。（2） 亚同步运行状态，就是转子转速低于同步转速时的运行状态，又称为补偿发电状态，正常状况作为电动机运行，但是可以在转子贿赂通入励磁电流使其正常工作于发电状态。（3） 同步运行状态，就是转子转速与同步转速相等的运行状态，与一般的同步电机一样。2.2 DFIG 变速恒频运行的根本原理如图 1 所示，双馈型变速恒频风力发电机的定子接入电网，转子绕组由频率、

11、相位、幅值都可调整的电源供给三相低频沟通励磁电流。当稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止5。frf1fs齿轮箱变频器调整器图 1 双馈型风力发电机根本原理设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 p，依据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 n1 称为同步转速，它与电网频率 f1 及电机的极对数p 的关系如下：=60 fn11p2-1同样在转子三相对称绕组上通入频率为 fs 的三相对称电流，所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为：n= 60 fs2p2-2由式 2-2

12、可知，转变频率 fs，即可转变 n2，而且假设转变通入转子三相电流的相序，还可以转变此转子旋转磁场的转向。因此，假设设 n1 对应于电网频率 50HZ 时双馈发电机的同21步转速，而 n 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持n n = n = 常数，见式 1-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终保持为 f1 不变。1n - nn n2= n = 常数2-3双馈电机的转差率s =1n1，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为：pnf=2 = f s2-4s601公式 2-4 说明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率即 f

13、1s的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生 50HZ 的恒频电势。所以依据上述原理，只要把握好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。第三章 沟通励磁发电机定子磁链定向矢量把握策略争论矢量把握技术是沟通传动调速系统实现解祸把握的核心、,它通过电机统一理论和坐标变换理论,把沟通电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系的励磁电流重量和与之相垂直的转矩重量,然后分别对它们进展把握使沟通电动机得到和直流电动机一样的把握性能7。针对沟通励磁双馈发电机来说，电机定、转子的电流分别时工频和转差频率的沟通量， 是一个强耦合系统，因此我们可以应用矢量把握技术对其进展解耦把握，将实际的沟通量分解成为有功和无功重

14、量，并对其进展把握。3.1 根本的坐标变换关系坐标变换过程如下：三相静止坐标系a b c 坐标两相静止坐标系 坐标两相旋转坐标系d q 坐标系。（1） 由三相静止坐标系 abc 变换至两相静止坐标系 的变换阵：1-1 2-1 2 2 c=03 2-3 23-13s2s3 121212 （2） 由静止两相坐标系 到以任意转速 旋转两相坐标系 d q 的变换阵： cosjsinj c= 3-2其中，j = wt 。2s2r- sinjcosj（3） 由三相静止坐标系 abc 到任意转速 旋转两相坐标系 d q 的变换阵： cosjcos(j - 2 p)cos(j + 2 p) 33c3s2r=

15、- sinj- sin(j - 2 p)- sin(j + 2 p)3-3 123312123.2 同步旋转坐标系下双馈发电机数学模型在两一样步旋转坐标系下的电机数学模型： 定子电压方程u= -r i- wj+ d j dss dsqsdtdsd3-4u= -r i+ wj+j转子电压方程 qss qsdsdtqsu= r i- (w -w )j+ d j drr drrqrdtdrdu= r i+ (w -w )j+j3-5式中w -wr= d (j -q ) 。dtr qrr qrrdrdtqr定子磁链方程j= -l i+ l i dss dsm dr转子磁链方程j= -l iqss qs

16、+ l im qr3-6j= l i- l i drr drm ds定子有功和无功功率方程j= l i- l iqrr qrm qs3-7P = u i+ u i 1ds dsqs qsQ = u i- u i3-81 qs dsds qs转子有功和无功功率方程P = u i+ u i 2dr drqr qrQ = u i2 qr dr- u idr qr3-93.3 DFTG 励磁系统矢量把握方法qwdaqjrA图 2 坐标关系空间矢量图如图 2 为坐标关系示意图，并网运行的双馈风力发电机，其定子绕组电流始终运行在工频 50HZ，在这样的频率下，定子绕组的电阻比其电抗要小的多，因此，通常可以

17、无视电机定子绕组电阻。略去定子电阻以后，发电机的定子磁链矢量与定子电压矢量的相位正好相差 90 度，由同步旋转 d q 0 坐标系下的定子电压方程可以验证这一点，假设取定子磁链矢量方向为 d q 0 坐标系 d 轴，则定子电压空间矢量正好落在超前 d 轴 90 度的 q 轴上。通过以上分析可以得出如下结论：u= 0 dsj= j dssj= 0qs3-10u= Uqss将上式代入定子输出功率方程，有：= wjsP = U i 1s qsQ = U i3-11将上式代入定子磁链方程，有：1s dslji dr=si+sldslmmi= lsi3-12 qrlqsm依据上式推导转子电压、电流和iq

18、s、i关系从而实现对定子有功、无功的把握。ds转子电压与转子电流关系：u= (r + bd )i- b(w -w )i drrdtdrdrqr3-13u= (r + b)i+ a(w -w )j + b(w -w )ill2qrrdtqrrsrdr其中， a =m ;b =ll(1-rm ) 。l lss r3.4 矢量把握系统构造框图通过定子磁链定向矢量把握系统解耦，这为后面的把握系统软件建模供给了便利。如图 3 定子磁链定向矢量把握系统解耦关系的框图，从图中可以看到整个系统承受双闭环构造，外环为功率把握环，内环为电流把握环。在功率环中，有功功率指令 P *、无功功率指令Q* 与功率反响值

19、P、Q 比较，差值经PI 型功率调整器运算，输出定子电流无功重量及有功重量指令i*ds、i*qs； i*ds和i*qs按3-12式计算得到转子电流的无功重量和有功重量指令i*dr、i*qr；i*dr、i*qr和转子电流反响量比较后的差值送入 PI 型电流调整器，调整后输出电压重量u”dr、u ”qr；加上电压补偿重量后就可获得转子电压指令u*dr、u*qr；将他们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM 脉冲去把握主电路开关管 IGBT 的通断，从而实现变速恒频及有、无功功率的独立调整把握6。图 3定子磁链定向矢量把握系统解耦关系的框图上图中所示变频器为双 PWM 变频器，应用本节所述的把握方法

20、对转子侧变换器进展把握，实现了双馈风力发电机定子有功功率和无功功率的解耦把握。通过上面的分析我们可以认为 ,电机中的旋转磁场矢量可以由产生它的三相沟通电来把握,我们把这个旋转矢量概念加以推广一 ,就得到电压矢量、电流矢量、磁场矢量等等。矢量把握就是通过对沟通电流的把握来到达把握目标矢量空间的位置 ,使之能满足我们的要求。沟通电机中的各种电磁量的关系 ,根本上都可以用各自相应的矢量来描述 ,它们之间的制约关系,也可以从矢量的分析得到。第四章 变速恒频风力发电系统仿真争论由于时间与精力有限，本章具体的对坐标变换利用 MATLAB/sinmulink 建模并进展了仿真验证，而对于双馈风力发电机的定、

21、转子矢量把握只是建立好了模型，而未进展仿真验证。4.1 坐标变换仿真由三相静止坐标系 abc 变换至两相静止坐标系 的变换。如图 4 三相静止坐标变换至两相静止坐标模型，其中输入端为幅值 220V 频率 50HZ 相位依次滞后 120的三相正弦量，经过已经封装好的变换模块，输出以两相静止坐标系 的变换量。示波器所显示的输出仿真结果见图 6。AalphaA1BB1CbetaScopeC1Subsystem1图 4三相静止坐标变换至两相静止坐标图 5输入端三相电压图 6三相变两相仿真结果从仿真结果来看，在输入端输入三相正弦量经坐标变换之后输出变为两相电压量，并且式以两相静止坐标为坐标系的 量。由静

22、止两相坐标系 到以任意转速 旋转两相坐标系 d q 的变换仿真。如图 7 两相静止坐标变换为两相旋转坐标模型，其中输入端为模型的输出量，经过已经封装好的变换模块，输出为以两相旋转坐标系 d q 的变换量。示波器scope2 所显示的输出仿真结果见图 8。scope1AalphaalphadA1BbetaB1betaqCthetascope2C1C3s_2sC2s_2r-C-Constant0.05tProduct1图 7两相静止坐标变换至两相旋转坐标图 8 两相静止变两相旋转仿真结果从仿真结果来看，在输入端输入三相正弦量经坐标变换之后输出变为两相电压量，并且是以两相旋转为坐标系的 d q 量。

23、输出的直流重量一个是 0 即为 d 轴重量，另一个是负值或许为 260，即为 q 轴重量。4.2 变速恒频风力发电系统仿真模型转子侧换流器实现了双馈风力发电机定子有功功率和无功功率的解耦把握。网侧换流器矢量把握用于维持直流母线电压在一个恒定值，而与转子功率的方向及大小无关，并依据整个风电机组对无功功率的要求对参考值进展把握。如图 9 为发电系统的局部模型，而仿真结果还在进一步争论中。C2s_2r1C3s_2s2ScopeAalphadalpha+ v-UocBGotoConstantbetabetaCggmw1500+qthetaAVabc Iabc abcAAAAAaAaAC2s_2rC3s

24、_2s1Scope1NNBBBBBbBbBalphaalphadBCCCC-CcCcCbetabetaCThree-Phase Series RLC BranchThree-Level Bridge2Three-Level Bridge1qtheta-C-Constant2aAProduct20bBt1cC图 9发电系统模型我们知道标准的三相沟通电流通过对称的三相绕组时能产生一个旋转磁场 ,这个旋转磁场的频率(或者称为转速)是和沟通电流的频率是全都的,它的幅值是其中某一相电流幅值的 1.5 倍,这个磁场(或电流)是一个有大小,方向可旋转的物理量,被称为磁场矢量(或电流矢量),通过转变沟通电流的

25、频率幅值、相位以及相序,可以便利的把握磁场矢量的转向、大小及空间的相对位置。从物理上看,该磁场矢量是和一个可旋转的由一个单始终流线圈产生的磁场相等效。通过转变直流线圈中的电流来转变磁场的大小。通过把握线圈的转速、位置、转始终转变磁场的变化。换句话说,静止的三相对称沟通电产生的磁场和旋转的直流电流产生的磁场等效。在图 9 所示的发电系统模型中所使用的异步电动机模块有一个输入端子、6 个电气连接端子和一个输出端子。输入端子 Tm 为转子轴上的机械转矩，可直接连接 sinmulink 信号，机械转矩为正时，表示异步电动机运行在电动机状态，机械转矩为负时，表示异步电动机运行在发电机状态，电气连接端子

26、A、B、C 为电机的定子电压输入，可直接连接三相电压，电气连接端子 a、b、c 为转子电压输出，一般短接在一起或者连接到其他附加电路中，输出端子 m 输出一系列电机内部信号。第五章 结论风力发电是一种型可再生清洁能源，有着宽阔的开发利用前景，尤其是当今资源不断枯竭，环境不断的恶化，可再生能源的利用将成为以后的进展重点。尤其是以型电力电子装置为代表的高技术将爱风电系统中占主要组成局部。本文主要致力于风力发电系统及其矢量把握，主要进展到了对于坐标变换的仿真验证，而对于风机整个系统还未完成，针对本次课设，主要做了以下几个方面的工作：查阅了大量文献，把握了风力发电的现状，具有国家政策的支持，并且应用前

27、景将及其广泛。同时提出了自己本次课设的争论内容，即双馈风力发电机的定子磁链矢量把握。学习双馈风力发电机的根本理论，首先了解双馈风机通过励磁调整，不仅保持了同步机的可以调无功功率的优势，还能调速、调整有功功率。其次，把握了双馈风机变速恒频发电的根本原理。在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率即 f1s的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生 50HZ 的恒频电势。针对沟通励磁发电机定子磁链定向矢量把握策略开放一系列分析争论，首先进展坐标变换，三相静止坐标系a b c 坐标 两相静止坐标系 坐标 两相旋转坐标系d q 坐标系。其次，推导动身电机定子磁链定向的数学表

28、达式。利用 MATLAB/sinmulink 对坐标变换进展了具体仿真，同时建立了双馈风机矢量把握的局部模型。参考文献1 唐西胜,苗福丰,齐智平,贺惠民,吴涛,李善颖. 风力发电的调频技术争论综述J. 中国电机工程学报,2023,25:4304-4314.2 李军军,吴政球,谭勋琼,陈波. 风力发电及其技术进展综述J. 电力建设,2023,08:64-72.3 程启明, 程尹曼, 王映斐, 汪明媚.风力发电系统技术的进展综述J.自动化仪表,2023,01:1-8.4 罗承先. 世界风力发电现状与前景推想J. 中外能源,2023,03:24-31. 5史林军. 变速恒频风力发电系统的建模和特性争论D.河海大学,2023. 6卞松江. 变速恒频风力发电关键技术争论D.浙江大学,2023.7Liang Wei，Liu Weiguo Key technologies analysis of small scalenon-grid-connected w ind turbines: a reviewC/ / IEEE WorldNongrid Connected Wind Pow er and Energy Conference， Nanjing ，China，2023