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无刷双馈风力发电系统及其控制研究

杨俊华  
【摘要】: 能源,是人类生存的基本要素,也是国民经济发展的主要物质基础。能源安全则是国家经济安全的基本支撑。能源短缺,尤其优质能源短缺,始终困扰着经济高速发展的中国,越来越成为制约我国经济发展的瓶颈。从能源发展战略来看,必须寻求一条可持续发展的能源道路。在目前众多可再生能源与新能源技术开发中,最成熟、最具规模化开发条件、潜力最大的就是风力发电。其在技术上、经济上都已经具有了同燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。千瓦、兆瓦级风力机的普及,要求人们必需加深对风力机动态性能的了解,以便设计出低成本、高效的新型风力发电系统及精确性更高的控制系统。 本文从能源与可持续发展出发,论述了风力发电在未来能源发展中的重要地位,以较为详尽的数据,分析研究了国内外风力发电的发展状况及风力发电机组的生产、研究的最新进展。 研究介绍了各种先进控制方法的基本原理及在风力发电系统中有关风能最大功率跟踪、电能品质、传动链的疲劳负载、叶片的振颤与翦切、塔身的弯曲与抖振等控制问题中的应用,提出若干需解决的问题。作者的创新性研究主要表现在如下几个方面: 无刷双馈电机实际上是一类交流励磁异步化同步电机,本文首先从交流电机基本理论出发,给出了无刷双馈风力发电机的原理证明。针对无刷双馈电机中的转差率问题,从普通异步电机出发,推导并给出了其明确定义和简单计算方法,统一了相应概念。以交流电机基本理论和设计方法为基础,给出了无刷双馈风力发电机的设计方法与过程,对一些关键设计问题给出了处理方法和建议。 无刷双馈电机的定子上两套极对数不同的绕组间没有直接的电磁耦合关系,不能产生平均转矩,只能通过特殊结构的转子绕组间接进行电磁功率传递,动、静态分析方法与普通电机有较大差别。无刷双馈电机的功率绕组、控制绕组、转子绕组的极对数不同,电流的实际频率也各不相同,论文从交流电机的基本理论出发,采用等效的方法,得到了无刷双馈电机的基本方程式、向量图和等效电路。为无刷双馈风力发电机的分析与控制提供了理论基础。 将变结构控制技术首次应用到无刷双馈发电机有功功率与无功功率的解耦控制中,在状态方程的基础上利用Lyapunov方法求得相应的控制律。仿真结果表明变结构控制能够成功的实现风力发电中无刷双馈发电机有功与无功功率的解耦控制,在实现风能的最大功率捕获的同时,可以提供和调节电网需要的无功功率,满足电力系统的需要。 将模糊控制原理应用于变桨距风力发电系统中,应用模糊控制器来跟踪最佳叶尖速比,模糊自适应机构来寻求稳定功率输出,将输入量由风速变为电机转速,这比传统PID控制器更能有效地减少振荡,较快地达到稳态,以提高风力发电系统的效率和质量。无刷双馈风力发电机的应用使得电机可以比较容易地达到调速和变速恒频的目的,大大的提高了风力机控制效果。 针对现有风力发电模拟系统存在的不足,提出一种基于异步电动机直接转矩控制的新的风力机动态模拟方法。采用该方法,不但可以实现动态模拟风力机风轮,而且模拟不同的风力机风轮时不需要更换机械装置,只需改变软件的参数。现有的模拟方法都是直接模拟风力机风轮的气动转矩,让原动机的输出转矩与风力机输出的气动转矩相等,动态模拟风轮时就必须在模拟系统中配备与实际风力机发电系统相同转动惯量的机械装置,为此,本方法提出通过直接模拟风力机风轮的加速度,而不是气动转矩,来达到模拟风力机的目的。 针对无刷双馈发电机的一些理论特性,利用实验室搭建的风力发电平台,设计了实验方案并做了部分实验。从实验结果可以看出,实际与理论是基本符合的,从实际上证明了无刷双馈电机的基本特性。针对试验中发生的特殊现象进行了详细的分析和总结,为进一步设计大型无刷双馈风力发电机组及其结构优化以及进一步寻求无刷双馈风力发电系统的实时有效控制打下了良好的基础


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