大型变速恒频风电系统的最大风能追踪控制研究

论文摘要

电能是当今社会发展必不可少的条件,它作为一种应用最广泛和最方便的二次能源,有力的促进了社会生产力水平和人们生活水平的提高。电力工业在日新月异的发展,电力系统的容量都在不断的增长,电力新技术也层出不穷。煤炭、石油、铀矿等矿物资源将在不到200年的时间内枯竭。而太阳能、潮汐能、生物质能等新能源还不具备规模化、商业化开发利用条件。而今风力发电技术由于无污染、施工周期短、投资灵活、占地少、造价低等特点,已受到世界各国的高度重视。随着风力发电技术的不断发展,风电机组制造成本和项目开发成本的不断降低,发展风力发电是大势所趋。为了提高效率和发电效益,现代风力系统不断向大型化和变速变桨矩方向发展。兆瓦级风力机已经成为国际风电市场上的主流产品。而我国对风电系统的研究大部分针对中小型容量的系统,关于兆瓦级风电机组的研究还处于起步阶段。由于大容量风电系统的物理实验成本太高,因此对大型变速风电系统的仿真和控制研究就显得经济而有效。本文基于MATLAB的SIMULINK建立了以双馈电机为发电机的大型变速恒频风电系统的整体动态数学模型,该模型包括风机、传动齿轮、发电机、控制器四部分。并对最大风能追踪控制策略进行了研究为提高风力发电系统的效率,低风速下,变速恒频风电系统通过控制发电机的输出功率或转速跟随最大功率曲线或发电机转速最优曲线实现不同风速下最大风能的捕获。传统的“最大风能捕获”算法往往基于最优功率曲线和部分风机参数已知,当上述参数未知或出现扰动时,风电系统的效率会严重降低。针对此不足,本文设计了“变步长最大风能捕获控制器”,该控制器采用矢量控制算法,实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制;针对有功功率控制,控制器根据发电机输出转速扰动时,相应输出有功功率的变化“变步长”地调整系统输入,直到系统运行到最大风能点。仿真结果表明,“变步长最大风能捕获控制器”不依赖于最优功率曲线和风机参数,收敛速度快,可以迅速实现“最大风能追踪”控制,具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 风力发电的特点
• 1.3 国内外风力发电技术的研究现状
• 1.4 变速恒频风电系统方案
• 1.4.1 磁场调制型变速恒频发电机
• 1.4.2 双绕组双速异步发电机系统
• 1.4.3 高滑差异步发电机系统
• 1.4.4 采用电磁转差离合器的同步发电机变速恒频系统
• 1.4.5 采用变频器一异步发电机变速恒频系统
• 1.4.6 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 1.4.7 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统
• 1.4.8 永磁发电机变速恒频风力发电系统
• 1.5 本课题研究的意义和内容
• 1.5.1 本课题研究的意义
• 1.5.2 本课题研究的内容
• 第2章 双馈型风力发电系统的动力部分
• 2.1 风力机的基本理论与结构
• 2.1.1 风力机的种类
• 2.1.2 风力机的主要部件
• 2.1.3 风力机主要参数
• 2.1.4 风力机的功率
• 2.1.5 风力机的输出转矩
• 2.2 传动齿轮
• 第3章 双馈型异步发电机原理
• 3.1 双馈电机的概念
• 3.2 交流励磁双馈电机的优点
• 3.3 交流励磁双馈电机运行的基本原理
• 3.3.1 异步发电机工作原理及特点
• 3.3.2 变速恒频双馈电机工作原理及特点（风力发电机）
• 3.4 交流励磁双馈电机的运行特性
• 3.5 交流励磁双馈发电机能量流动及平衡关系
• 3.6 双馈电机在ABC坐标系中的分析模型
• 3.7 折算处理
• 第4章 双馈型风力发电系统的控制
• 4.1 最大风能追踪控制
• 4.1.1 叶尖速比（TSR）控制算法
• 4.1.2 功率信号反馈（PSF）控制
• 4.1.3 登山搜索（HCS）控制
• 4.2 P、Q解耦控制
• 4.2.1 变速恒频发电机矢量控制原理
• 4.2.2 三相坐标系下到两相旋转坐标系下数学模型的相互转换
• 4.2.3 ABC坐标系到两相静止α、β坐标变换
• 4.2.4 两相静止α、β坐标系与两相ω速旋转d、q坐标系之间的变换关系
• 4.2.5 P、Q解耦控制的具体实现
• 第5章 风力发电系统的仿真分析
• 5.1 风机模型
• 5.2 传动齿轮模型
• 5.3 双馈电机模型
• 5.3.1 坐标变换
• 5.3.2 dq轴下的双馈电机模型
• 5.4 控制器模型
• 5.4.1 P、Q解耦控制器
• 5.4.3 矢量控制器整体模型
• 5.4.4 最大风能追踪控制器
• 5.5 系统整体SIMULINK模型
• 5.6 仿真结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文与研究成果