直驱风机建模及其最大功率跟踪控制

论文摘要

目前,大功率直驱并网型低速永磁同步发电机组（D-PMSG）正成为风力发电技术研究的热点之一。本文在对比现有的四种常见风力发电系统结构性能的基础上,建立完整的直驱低速永磁风力发电系统的数学模型,并对其中的高效大功率变流电路的拓扑结构及其功率最优控制策略进行研究。本文首先对常见的并网型风力发电机组的工作原理、组成、性能和分类进行了介绍;接着比较了现存的四类变速恒频风力发电系统各类型的结构特点及优缺点,进而得出低速永磁同步发电机直接驱动型风力发电机的优越性。文章在简要比较五类风力发电机系统结构及四种类型变流电路拓扑结构的基础上,采用了一种在考虑现有开关器件功率水平、工作性能情况下,符合大功率直驱并网型风力发电机要求的变流电路拓扑结构,即采用“三相不控整流+两个并联的升压斩波（Boost Chopper）+一个PWM逆变器”的电路结构,并对其各部分电路的工作原理进行了分析,并在总结现有系统模型的基础上得出该类系统结构各关键部分的数学模型。为验证模型的可靠性,文章选择1.2MW直驱式风力发电系统,在其额定状态下测试其性能及变频性能,通过仿真验证了所建模型的可靠性及准确性。在完成直驱低速永磁风力发电系统数学模型的基础上,根据直驱风机的运行要求和最大功率跟踪控制（MPPT）的目标,对该类风机采用神经网络控制器变桨控制法和应用PI控制器的功率信号反馈控制的PI控制法。并且在Matlab仿真软件中分别结合常见的渐变风和随机风条件进行仿真,仿真结果表明采用智能控制的神经网络变桨控制法的优越性,对该类风机控制的可靠、准确及时性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 选题目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究综述
• 1.2.2 国外研究综述
• 1.3 国内外直驱变速恒频永磁风力发电机发展应用状况
• 1.3.1 国内直驱风机发展应用状况
• 1.3.2 国外直驱风机发展应用状况
• 1.4 仿真平台的选择
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 直驱永磁风力发电系统
• 2.1 引言
• 2.2 变速恒频运行的风力发电机组
• 2.2.1 风力发电机组模型基本模块
• 2.2.2 定桨距风机+感应发电机
• 2.2.3 变桨距风机+可变电阻感应发电机
• 2.2.4 变桨距风机+双馈发电机
• 2.2.5 变桨距风机+同步发电机
• 2.2.6 变桨距风机+永磁同步发电机
• 2.3 直驱并网型风力发电机的各种变流电路
• 2.3.1 双PWM 型变流电路
• 2.3.2 不控整流十升压斩波十PWM 逆变型
• 2.3.3 不控整流+Z 源逆变型
• 2.4 本文直驱机系统结构
• 2.4.1 直驱变速恒频永磁风力发电机的性能特点
• 2.4.2 本文直驱机系统结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 直驱风电系统主要部件及其数学建模方法
• 3.1 引言
• 3.2 D-PMSG 的数学模型
• 3.2.1 空气动力学部分模型
• 3.2.2 永磁同步发电机模型
• 3.2.3 二极管整流电路
• 3.2.4 升压斩波电路
• 3.2.5 用占空比描述的电压源逆变器一般数学模型
• 3.3 D–PMSG 的控制策略
• 3.3.1 功率控制方式
• 3.3.2 占空比控制策略
• 3.3.3 最大功率点的直流电压控制
• 3.3.4 转速控制
• 3.4 本章小结
• 第四章 直驱永磁同步发电机系统仿真分析
• 4.1 直驱系统总体仿真
• 4.2 D-PMSG 电气部分仿真
• 4.2.1 仿真环境
• 4.2.2 直驱永磁同步发电机及其风力机变桨控制系统
• 4.2.3 整流与升压斩波环节
• 4.2.4 并网逆变单元
• 4.3 本章小结
• 第五章 变桨控制系统及其最大功率跟踪控制
• 5.1 变桨距风力机特性
• 5.1.1 变桨距风力机数学模型
• 5.1.2 直驱风力发电机组变桨特性
• 5.2 基于智能控制的风机最大功率跟踪控制
• 5.2.1 神经网络概况
• 5.2.2 误差反向传播 BP 神经网络的基本思想和学习算法
• 5.2.3 BP 网络的网络结构
• 5.2.4 BP 网络的前馈计算
• 5.2.5 BP 网络的权值调整
• 5.2.6 BP 学习算法的学习流程
• 5.3 神经网络控制的实现
• 5.3.1 风力机变桨控制设计及原理
• 5.3.2 神经网络桨距角控制器
• 5.3.3 变桨距风力机仿真模型
• 5.3.4 风力机控制系统模型
• 5.4 变桨距风力机运行特性及仿真分析
• 5.4.1 仿真计算的考虑
• 5.4.2 渐变风下仿真
• 5.4.3 随机风下仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 仿真结论及展望
• 6.1 仿真结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录一 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录二 最佳桨距角的学习程序
• 致谢