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风力发电系统最大风能捕获及其并网研究

谢建平  
【摘要】:近年来,随着世界经济的飞速发展,能源需求不断地增加,许多自然资源也相继面临枯竭的危机。在这种严峻的形势之下,各国也竞相提出各种可持续发展和节能环保的发展战略。风力发电技术迅猛发展,各种机型不断涌现,风能作为一种最有潜力的新型能源,得到了人们的密切关注。因此,本文将变速变桨距风力发电系统作为主要的研究对象,就如何提高风能的利用率,实现最大风能捕获以及并网逆变器的控制问题展开研究。 针对风力发电系统对于风能的利用率、动态稳定性等指标要求高的特点,根据变速变桨距风力发电系统的结构与工作原理,建立了风能转换系统的线性参数变化(LPV,Linear Parameters Varying)模型;给出了一个具有自适应机制的鲁棒保性能控制的充分条件,并根据这个充分条件设计出了自适应鲁棒保性能控制器。该控制器通过自适应的方法估计出系统的不确定参数,而后利用估计的参数与鲁棒保性能控制相结合的方法设计系统的状态反馈增益,并满足二次型性能指标。仿真结果表明,无论在高风速或者是低风速,此控制方法都能使系统具有抑制外界干扰的能力和良好的动态特性。 在分析了永磁同步发电机数学模型的基础上,以实现额定风速下风能的最大捕获为目标,采用滑模控制和模糊控制相结合的方法,提出了一种新的自适应模糊软切换控制方法。该方法使得风电系统在额定风速以下时,能够根据风速的变化实时地改变电机转速,从而获得最佳叶尖速比,实现最大功率追踪的目标。仿真结果表明,自适应模糊软切换控制方法可以有效实现额定风速下的最大风能捕获,同时弥补非线性给系统带来的影响,提高了系统的鲁棒性和稳定性。 风电系统进行并网时,系统中存在着由于故障或不平衡负载等不确定性扰动引起的电网电压波动。针对这一问题设计了扰动观测器对其进行补偿,抑制了扰动给系统带来的不利影响。根据矢量控制原理,设计了非奇异终端滑模面,使得网侧逆变器输出的交直轴电流在有限时间内达到给定值,并采用高阶终端滑模消除抖振。仿真结果表明,采用扰动观测器与高阶终端滑模控制相结合的方案,使系统具有很强的鲁棒性,同时提高了跟踪精度,具有良好的动态性能。


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