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《湖南大学》 2018年
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永磁直驱风力发电机组变桨距伺服系统的研究

李良涛  
【摘要】:为了响应全球能源可持续发展的战略目标,积极开发利用清洁的可再生能源已成为当今社会的主要趋势。风能凭借其清洁、成本低以及可再生的优点,在新能源领域得到了广泛的应用。本文针对永磁直驱风力发电机组变桨系统从两方面进行进行理论分析与研究,一方面为变桨距系统,另一方面为伺服系统。其中风机变桨距系统根据外界自然风速的大小来求得桨距角,然后发送桨距角指令给变桨伺服系统,变桨伺服电机控制风力机桨叶角度跟随给定值,完成变桨。首先,本文对风力发电变桨距系统进行理论分析与研究,当外界风速小于额定风速时,风电机组开始工作,此时保持桨距角β=0,实现最大风能捕获;当外界风速高于额定风速,变桨伺服系统开始工作,增加叶片桨距角,降低系统的风能利用系数,以维持风电系统的输出功率在其额定值附近。选用PMSM作为变桨伺服电机,并对其转子结构及运行原理也进行了研究,通过坐标变化公式对PMS M在旋转坐标系下的数学模型进行了推导,并对几种常用的PMSM矢量控制方法进行了分析对比。然后针对变桨主控系统各部分数学模型作简要介绍,包括自然风速、风力机、传动系统以及变桨距执行机构模型。并在Matlab中搭建额定风速以上时,风电机组变桨距主控系统的仿真模型。其次,研究了位置前馈控制变桨伺服系统。先对PID控制变桨伺服系统进行理论分析,并在MATLAB中搭建仿真模型验证。仿真结果显示:PID控制变桨伺服系统的位置响应速度比较慢、抗负载扰动能力也比较差。然后,研究了将位置前馈控制引入PID控制变桨伺服系统中,并对其建模仿真,仿真结果表明不加位置前馈控制策略会出现位置跟随滞后的现象;加入位置前馈后,伺服系统能快速跟随给定位置,无滞后现象,提升了伺服系统的位置响应速度以及控制精度。最后,对滑模变结构控制变桨伺服系统进行了理论研究,并在MATLAB中搭建仿真模型,对仿真结果分析可得:滑模变结构控制系统虽然能实现系统的快速响应,但是变桨电机速度会远远超过其额定转速。此外,在发生负载突变时,位置、速度波动的幅值仍然较大。针对变桨伺服系统负载扰动大,以及传统滑模变结构用于变桨伺服系统中速度不可控难题,研究了改进的滑模变结构控制伺服系统,设计了将变指数趋近律的分段滑模变结构控制器与降阶负载转矩观测器相结合的方法,并在MATLAB中搭建仿真模型验证。仿真结果显示:改进的滑模变结构控制技术成功解决了速度不可控难题,并且在实现变桨系统快速性的同时,还增加了系统的抗负载扰动能力。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM315;TM921.541

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