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变速恒频风力发电机组模拟系统的研究

叶远茂  
【摘要】: 随着工业的发展、人类对生活水平要求的提高和低碳经济政策的提出,光靠常规能源的开发和利用已经远远满足不了社会的需要和可持续发展的要求。所以对可再生清洁能源的开发已经是一种迫在眉睫的趋势了,在已经开始开发的新能源中,风能无疑是技术最成熟、最具有规模开发和商业发展前景的。为此,风力发电事业近年来在世界各国都得到了大力的发展。尤其是在国内,近几年装机容量都以至少30%的速度快速增长。 鉴于目前风能利用效率还有待风电技术的发展而提高,特别是国内的风力发电技术与国外相比还有很大的差距,所以认真而系统的对风力发电技术进行研究是非常必要的。但是实际的风电场大多处于偏远的地区,给大多数长期从事风电科研的人员带来实践研究的不便。为此,建立一套先进的风力发电模拟系统是在实验室环境下研究风电的一个必然途径。本文就将利用异步电动机作为原动机代替风力机,用DSP作为控制器,与无刷双馈发电机构成一套完善的风力发电模拟系统。文章主要就以下几个方面对系统的设计和构建作出详细的阐述。 1、对风力发电的基本理论和风力机的工作原理进行详细的分析,就定浆距和变浆距风力机的区别与联系进行比较。在研究风力机模拟原理和技术的基础上,根据系统结构、模拟特性和原动机的不同,对目前已有的风力发电模拟方法进行分类分析。针对风力机的发展趋势,主要就变浆距风力机在风速不同的情况下其运行特性的不同,将变浆距风力机的运行区域划分为最大风能捕获区、恒速区和恒功率区,并就各个区段上风力机的运行特性进行详细分析,从而得出在不同区段上变浆距风力机的模拟方法和模拟重点。并通过仿真实验验证了分区段模拟方法的可行性和实效性。 2、作为原动机的异步电动机,其控制策略的好坏直接影响整个系统的性能。文章就异步电动机的基本结构和工作原理进行了分析,对异步电动机在各种坐标系下的数学模型进行了研究。从能量回收的角度就目前已有的异步电动机控制方法进行分类分析和比较,最后选定直接转矩控制(DTC)作为本系统原动机的控制策略。为了使直接转矩控制具有更小的转矩脉动和较好的低速性能,文章利用灰色预测原理和模糊控制算法对传统的直接转矩控制进行优化,最后得到了控制效果比较理想的灰色模糊DTC,并通过仿真实验验证了该理论在风力机模拟系统中的可行性和优越性。 3、发电机系统控制策略的好坏直接影响整个系统的模拟效果。在介绍无刷双馈电机的数学模型和工作原理的基础上,接着总结了本实验室在研究无刷双馈风力发电系统的控制策略上已取得的部分成果,包括同步坐标系下的功率解耦控制、自抗扰功率解耦控制和基于模型参考的功率解耦控制。 4、用一个TI公司的TMS320F2812 DSP和ABB变频器作为原动机的控制器,用一个DSP和一组整流逆变装置作为发电机的控制器,用一个DSP实时监测和分析发电机的输出状态,与综合监控器(PC机或ARM)一起构成风力发电模拟系统的控制单元。以模块化的方式分别介绍了风力机模拟子系统、风速采集子系统、发电机控制子系统、发电机状态监测子系统和综合监控子系统的硬件设计和软件设计。使得整个系统从总体结构,硬件设计到软件设计都得以实现。 5、为了使风力发电模拟系统融入实验室的风光互补发电系统,本文就构建一套综合网络监测系统的有关模拟系统部分做了详细分析,主要介绍网监系统的整体结构、数据采集模块、通信模块和终端显示模块。主要包括C2000 Plus串口转换器的工作原理,串口通信程序的实现方法,网络套接字的使用方法和ZedGraph图形界面控件的使用。 最后在实验室以上述理论成果为基础搭建了风力发电模拟实验平台。在平台上对变速恒频风力发电进行了模拟发电实验,并对实验结果进行了分析。结果表明了本模拟系统的可行性和实用性。


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