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《山东大学》 2009年
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变速直驱开关磁阻风力发电机输出功率控制

熊立新  
【摘要】:作为一种可再生无污染的新型能源,风能的利用日益得到重视,风力发电技术也成为各国学者研究的热点。发电机作为风力发电系统的关键组成部分,直接影响到整个系统的性能。目前现场使用的风力发电机可分为异步发电机、双馈异步发电机和同步发电机。异步发电机的发电转速近似于恒定值,风速变化时转速不变使得风能利用效率不能保持最优值。另外由于风力机转速较低,异步发电机的运行转速较高,因此需要在风力机和发电机间安装增速齿轮箱,由此带来了额外的功率损失,而且增速齿轮箱造价昂贵,维护保养工作量大,影响系统的可靠性。双馈异步发电机虽然可以随着风速的变化改变转速,提高风能利用效率,但电机结构复杂、变速范围小、低速时发电效率低,因此仍然需要使用增速齿轮箱。为省去齿轮箱,一些厂商推出了变速直驱同步发电机,包括电励磁同步发电机和永磁同步发电机两种。电励磁同步发电机存在极数多、直径大、结构复杂、制造困难等缺点,永磁同步发电机需要使用永磁材料,永磁材料价格高且高温下易退磁,影响对风能的利用。 实现发电机的变速直驱运行是风力发电技术的一个发展趋势,为此需要研究新的发电机来进一步提高风能利用率。开关磁阻发电机(Switched ReluctanceGenerator,简称SRG)变速范围宽,低速性能好,电机损耗小,运行效率高,输出为恒压直流电,易于并网,在风力发电中应用时可省去齿轮箱,提高风能的利用率,这些特点使得SRG非常适合用到变速直驱风力发电场合中。20世纪90年代以来,开关磁阻风力发电系统已经在文献中有所报道,目前这方面的研究尚处于起步阶段,大都是进行理论仿真或试验验证,对SRG的输出功率控制、开关磁阻风力发电系统的输出功率控制问题尚没有深入、系统的研究,影响了开关磁阻风力发电机的现场实用化运行。 本文围绕开关磁阻风力发电机的输出功率控制技术,展开了较为全面的从理论到实践、从仿真到试验的研究和探索,主要内容有以下几条: 1、对目前国内外风力发电机的研究现状进行了分析总结,探讨了开关磁阻发电机在风力发电场合中应用的可能性,并提出了SRG相比于其它发电机的优势,阐述了研究开关磁阻风力发电技术的意义。 2、提出了开关磁阻发电机输出功率的控制原则。目前国内外对开关磁阻发电机的研究多集中在SRG的控制方法上,对SRG输出功率与控制参数的关系尚未有系统研究。本文基于开关磁阻发电机的线性模型推导了SRG输出功率与控制参数的数学关系,在MATLAB中建立了模型,对影响开关磁阻发电机输出功率的控制参数进行了逐一仿真分析,提出了SRG输出功率的控制原则。 3、提出了一种自动改变步长的功率扰动控制方法来实现开关磁阻风力发电系统的最大风能跟踪。目前应用在开关磁阻风力发电系统的最大风能跟踪方法主要有风速跟踪控制方法和转速反馈控制方法,这两种方法都需要明确知道风力机的功率特性,风速跟踪控制方法还需要安装风速测量装置,影响系统长期运行的可靠性。本文提出了一种自动改变步长的功率扰动控制方法来跟踪风能变化,使用时无需安装风速测量装置,也无需知道风力机机械参数,实现了风力机和发电机间的解耦控制,并能提高系统对风能的利用率。 4、建立了开关磁阻风力发电系统的仿真模型。为了更好的对开关磁阻风力发电系统的控制方法进行研究分析,在MATLAB中建立了开关磁阻风力发电系统的模型,对最大风能跟踪方法的使用效果进行综合的衡量比较,证明了自动改变步长的功率扰动控制方法跟踪效果明显优于定步长的功率扰动控制方法。 5、设计开发了开关磁阻发电机控制器。开关磁阻电机是典型的机电一体化的产品,必须使用控制器才能完成电机的励磁、发电运行。本文基于三相不对称半桥电路设计了SRG控制器,实现了电流信号、电压信号、定转子位置信号的采集与处理,使用DSP芯片做核心CPU,完成对电机的控制。 6、建立了开关磁阻风力发电系统的模拟试验平台。由于风能具有不确定性,进行现场试验会受诸多条件的制约。为了在试验室中更好的模拟风力发电现场的运行情况,本文建立了开关磁阻风力发电系统的模拟试验平台。使用直流电动机做原动机,使用PC机和直流电动机控制器模拟风能变化情况,在PC机上输入欲模拟的风速曲线,通过直流电动机控制器对直流机进行控制,使整个系统的运行特性能够模拟风力发电现场。 7、为了验证开关磁阻风力发电系统的实际可行性,本文设计了一套10kW开关磁阻风力发电装置并投入到现场运行,通过现场试验进一步验证了本文提出的控制理论和控制方法的正确性,并给出了部分现场数据。 仿真及试验证明本文提出的开关磁阻发电机输出功率的控制原则是正确的,使用本文提出的自动改变步长的功率扰动控制方法可以跟踪风速变化,输出最大功率,该控制方法不需要明确知道风力机的机械参数,也无需测量风速,易于工程实现。现场应用表明开关磁阻风力发电机的起动风速低,风能利用范围宽,可以实现变速直驱运行,开关磁阻风力发电技术的推广应用对于今后风力发电技术的发展具有十分重要的意义。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM315

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