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定桨距变速非并网风力发电控制系统的研究与设计

王俊琦  
【摘要】:变速风力发电机组的转速能够随着风速的变化而变化,从而确保风力机具有较高的风能利用系数,提高了机组的运行效率。根据风力机气动功率调节方式的不同,可分为定桨距变速和变桨距变速两种不同的机组构成形式。后者拥有发电机转速以及风力机桨叶节距角两套调节系统,因此能够获得良好的功率特性,在中大型风力发电场合得到了广泛的应用,但在中小型场合,如非并网风力发电系统中,其会大大增加机组的成本。定桨距变速机组在理论上可以获得同变桨距变速机组相同的功率特性,仅通过变速控制就能达到调节风力机功率的目的,相比而言,控制系统得以简化;另外定桨距风力机具有结构简单、可靠性高、成本低廉的优势,对其施加主动失速控制,能够使其同时拥有高效和低成本的特点,因此该机组非常适合应用于中小型风力发电系统中。 本文以定桨距变速非并网风力发电系统为研究对象,以机组能量利用效率最优为目标,分别对基于不控整流拓扑和全控整流拓扑的定桨距变速风力发电机组转速控制系统进行设计。 对于不控整流拓扑的机组,采取将后级变换器等效为发电机负载的设计思路,建立了机组的数学模型,由于其具有很强的非线性特性,故利用非线性反馈线性化控制的设计方法对机组转速控制器进行了设计,仿真结果表明采用该方法实现了机组在低风速区的最大功率跟踪的控制目标。 对于基于全控整流拓扑的机组,首先就其在不同风速条件下的稳、动态特性进行了详细的分析,发现采取间接转速控制将会导致高风速区机组失稳,因此采取了综合控制策略,即:低风速区采用间接转速控制,高风速区采用直接转速控制。在具体实现上,利用PWM整流器对永磁同步发电机进行矢量控制,给出了详细的电流内环与转速外环控制器的设计,转速外环采用风力机气动转矩前馈的方式可以有效消除系统的内在不稳定性。最后通过仿真与硬件在环实验对机组变速控制系统的性能进行了验证,实验结果表明:定桨距变速风力发电机组能够在设计风速范围内稳定运行,机组完全依靠变速控制就能同时实现低风速区的最大功率跟踪和高风速区的恒功率控制,达到了预期的控制目标。


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