变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制的研究

论文摘要

随着煤炭石油等传统能源的减少,发展可再生能源成为世界各国一个重要的能源战略。近年来,世界各国纷纷将风能,太阳能等可再生能源作为应对气候和能源变化的一个主要手段。随着风力发电机组容量的不断增大,提高机组的运行稳定性与可靠性以及最大程度地利用风能已经成为风力发电技术研究的重要内容。可实现最大风能追踪控制的变速恒频风力发电技术也就成为研究的热点。论文首先分析了国内外的风力发电现状,指出了研究风力发电机组控制技术的必要性和紧迫性。研究了目前存在的变速恒频风力发电实现方案,双馈异步电机系统由于其结构简单,易于控制,变流器容量要求低,成为目前研究最多也是应用最广泛的变速风力发电系统。文章对双馈异步电机的数学模型,运行过程中的功率流动关系进行了研究,为最大风能追踪控制研究奠定了理论基础。对目前存在的最大风能追踪控制策略进行了分析比较,其中叶尖速比控制算法简单,但由于风速的检测受到环境的影响较大,应用范围受到了一定的限制;爬山搜索法控制独立于风机参数,但是由于风机惯性的存在,使其只适用于小容量系统。在此基础上本文提出了改进的功率信号反馈控制的最大风能追踪控制策略。在最佳叶尖速比和风力机功率特性曲线已知的情况下,先测量出风力机的转速,再根据最佳叶尖速比条件下的最大功率曲线计算出相应的最大输出功率,并作为风力机的输出功率给定值对风力机的转速进行控制,以实现对最大功率点的捕获。基于电机的矢量控制技术,提出了基于定子磁链定向的双馈异步电机矢量控制技术,并将该方法用于最大风能追踪控制的具体实现。该策略无需检测风速,算法简单,具有很好的可行性。利用MATLAB/simulink建立了风力机的模型,双馈异步电机的S-function模型以及实现最大风能追踪控制的矢量控制系统模型。对变速恒频风力发电系统的最大风能追踪控制进行了风速突变时的动态仿真研究,验证了所提出的最大风能追踪控制方法的正确性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 课题的研究背景及意义
• §1-2 风力发电系统的分类
• §1-3 国内外研究现状
• §1-4 本文开展的主要工作
• 第二章 双馈异步电机理论
• §2-1 双馈异步发电机原理
• §2-2 双馈异步电机的数学模型
• §2-2-1 三相静止ABC 坐标系下的数学模型
• §2-2-2 坐标变换理论
• §2-2-3 两相同步速旋转的dq 坐标系下的双馈电机模型
• §2-3 小结
• 第三章双馈异步发电机的等值电路和功率计算
• §3-1 等值电路分析
• §3-2 功率分析计算
• §3-3 功率平衡关系
• §3-4 小结
• 第四章 最大风能追踪控制研究
• §4-1 风力机运行特性分析
• §4-2 最大风能追踪原理的研究
• §4-2-1 变速风力发电机组总体控制策略
• §4-2-2 最大风能追踪算法研究
• §4-3 改进的功率信号反馈控制
• §4-3-1 控制方法研究
• §4-3-2 控制器的设计
• §4-4 最大风能追踪控制策略实现
• §4-4-1 变速恒频发电机的控制策略
• §4-4-2 发电机矢量控制
• §4-5 小结
• 第五章 风力发电系统的仿真分析
• §5-1 仿真模型的建立
• §5-1-1 风力机模型的仿真
• §5-1-2 发电机模型的仿真
• §5-1-3 最大风能追踪控制模块的设计
• §5-1-4 整机系统的仿真模型
• §5-2 仿真结果及验证
• §5-3 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果