鼠笼式异步风力发电机的优化控制

论文摘要

鼠笼式异步电机风力发电系统包括恒速运行的失速型风力发电系统以及由鼠笼异步电机和背靠背的四象限变流器组成的变速恒频风力发电系统,他们的共同点是都存在齿轮箱-传动轴这一脆弱环节,在频繁的转矩冲击和大幅度波动下容易损坏。论文中系统地研究了以鼠笼式异步电机作为发电机的一类风力发电系统中,传动链的受冲击情况以及以减少转矩冲击、提高风能利用率为目的的控制方式优化研究。论文中首先结合与金风科技合作开展的750kW失速型风力发电机组受冲击情况测量及控制参数优化的工作,对750kW失速型风力发电机组传动系统建立了精确的柔性数学模型,在此模型的基础上,对机组并网,停机过程进行了仿真。结合风场实验数据,分析了机组并网时产生电冲击、机械冲击的原因和解决方案;提出了基于转速梯度法和分段控制的并网控制策略。对停机时的冲击以及转矩震荡进行了分析,对停机过程进行优化。经过控制优化,大大改善了s48/750kW机组的运行可靠性。针对由鼠笼异步电机组成的变速恒频风力发电系统,建立了变速变距风力发电机组吸收风功率的模型。对并网和停机时的传动链受力情况进行了分析;对运行过程的转速控制方式和转矩控制方式下的工作情况和转矩冲击进行了详细研究,指出各自特点及适用范围。讨论了在转速控制方式下,减小由风速突变而引起的转矩冲击的方法。为转速控制方式提出了基于专家系统的改进型MPPT控制算法,讨论了该方法的实现,以及该方法在力矩控制方式中的应用。针对基于专家系统的MPPT设计了一种基于混合灵敏度函数的转速调节器,验证了该调节器的性能以及能够减少干扰带来的转矩波动。给出了改进型MPPT控制方法的仿真验证结果,表明该方法具有很好的快速性,稳定性和更高的风能利用率。建立了电网侧逆变器的状态空间模型,在该模型的基础上讨论了开关频率固定的电流跟踪控制方法,并利用级数的方法证明了该方案的稳定性。并使用自寻优的方法确定了控制环节的参数,使系统具备了更好的动态响应。根据风力发电系统的特点,讨论了基于转子磁场间接定向电流型矢量控制系统。分析了这种方法应用在风力发电中所涉及到的各个环节。论文分析了电流跟踪控制方法在感应电机控制中的应用,并且将FIR数字滤波器应用在其中,使用FIR数字滤波器,使得电流跟踪控制方法得以实现,并且提高了系统的稳定性和抗干扰性。构建了室内模拟风力发电的实验系统,简洁而有效。针对论文提出的方法进行了实验,给出了实验结果。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电概述
• 1.1.1 风力发电的前景
• 1.1.2 风力发电技术的发展
• 1.2 风力发电系统的分类
• 1.3 论文的目的意义和主要内容
• 1.3.1 论文的目的和意义
• 1.3.2 论文的主要内容
• 第二章 恒速恒频风力发电机组的控制优化
• 2.1 失速型风力发电机组的运行情况
• 2.1.1 空气动能—机械能的转化
• 2.1.2 失速型风力发电机的传动链及其数学模型
• 2.1.3 异步电机的数学模型
• 2.1.4 风轮—异步电机联接总成的模型分析
• 2.1.5 失速型风力发电机组的运行分析
• 2.2 失速型风力发电机组并网过程的分析及优化
• 2.2.1 并网时的电冲击
• 2.2.2 并网时的机械冲击
• 2.3 失速型风力发电机组停机过程的分析及优化
• 2.3.1 停机时的冲击
• 本章小节
• 第三章 变速恒频风力发电机组的控制优化
• 3.1 变速风力发电机组分析
• 3.1.1 变速恒频风力发电系统的组成
• 3.1.2 变速风力发电机组的空气动力特性
• 3.1.3 变速风力发电机组并网和停机的分析
• 3.2 变速恒频风力发电系统的控制方式
• 3.2.1 发电机的转速控制
• 3.2.2 发电机的转矩控制
• 本章小结
• 第四章 最大风能跟踪方法的研究
• 4.1 传统的变速风机最大风能跟踪方法
• 4.1.1 转速查表法
• 4.1.2 功率信号反馈控制
• 4.1.3 爬山法
• 4.2 改进型的MPPT算法的研究
• 4.2.1 基于专家系统的MPPT策略
• 4.2.2 知识库的构成
• 4.2.3 改进型MPPT算法在力矩控制方式中的优势
• 4.2.4 MPPT跟踪算法的实现
• 4.3 转速调节器的优化
• 4.3.1 控制系统的灵敏度
• 4.3.2 基于混合灵敏度函数的转速调节器
• 4.3.3 基于混合灵敏度函数的转速调节器仿真
• 4.4 改进型MPPT算法的仿真验证
• 本章小结
• 第五章 实验平台的研制和实验结果
• 5.1 网侧逆变器
• 5.1.1 状态空间平均模型与电流跟踪控制
• 5.1.2 直流电压控制环节
• 5.1.3 网侧逆变器实验验证
• 5.2 电机侧逆变器的控制
• 5.2.1 控制方案的选择
• 5.2.2 电流跟踪控制方法应用在电机控制中
• 5.2.3 电机侧逆变器实验
• 5.3 风轮机特性的模拟与实验平台的搭建
• 5.3.1 风轮机的转矩特性
• 5.3.2 使用直流电动机模拟风轮机
• 5.3.3 模拟风轮机测试
• 5.4 风速突变时系统响应测试
• 5.5 MPPT跟踪测试
• 本章小结
• 全文总结
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参考文献
• 学位论文数据集