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直驱永磁同步风力发电机组功率平滑控制策略研究

何金波  
【摘要】: 风力发电是解决世界能源危机的一个行之有效的途径,而并网型风力发电是推动风力发电发展的主要力量。由于风能的不确定性和风力机自身的特性,风电并网功率波动很大,这对电网运行的稳定性及经济性带来负面影响。随着风力发电规模的不断增大,非常有必要采用先进的控制策略和性能优良的控制器来提高并网风力发电机组输出电能的质量及其运行的稳定性。本文以直驱永磁同步风力发电机组为研究对象,对抑制发电机组输出有功功率波动的控制策略进行了深入研究。 论文首先建立了系统各部分的数学模型,并通过对永磁同步电机数学模型和相应的坐标变换技术的分析,得出了电机侧变换器的矢量控制模型;针对风力机的功率特性和转矩特性具有很强的非线性、难以建立精确数学模型的特点,设计了模糊变桨距控制器,并通过与传统PID变桨距控制器进行仿真对比研究,仿真结果表明模糊变桨距控制器的性能优于PID变桨距控制器;考虑到发电机参数变化会对矢量控制性能产生影响,论文还进一步研究了发电机转矩动态滑模控制器,仿真验证了对于功率外环采用动态滑模控制器的永磁同步发电机矢量控制系统具有对电机参数及扰动不灵敏,鲁棒性好的特点;最后,论文分析了直驱永磁同步风力发电机组运行的稳定性问题,以及采用传统控制策略的并网运行风力发电机组所存在的问题,提出了一种在全风速范围内同时采用变桨和变速调节来调整发电机输出有功功率的控制策略,通过模糊变桨距控制来限制发电机组转速的运行范围,通过发电机转矩动态滑模控制,使发电机输出功率能较好跟踪给定的平滑功率曲线。仿真结果表明在无需增加辅助设备的情况下,在全风速范围内结合变桨距和变速控制,能有效抑制由于风速波动及其他不确定因素引起的直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动。 本文所做的研究工作,为直驱永磁同步风力发电控制系统的工程设计提供了一定的理论参考依据,为工程应用奠定了基础。


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