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直驱永磁同步风力发电系统功率平滑策略的研究与控制系统设计

胡雪松  
【摘要】: 随着世界范围内环境日趋恶化和能源危机日益突显,充分开发利用可再生能源已成为世界各国的共识。风能作为最常见的可再生清洁能源之一,受到了人们的广泛关注,风力发电技术在近二十年取得了迅猛的发展。 在各种风力发电系统中,直驱式永磁同步风力发电系统由于其传动系统简单、运行可靠性较高、发电效率较高等优点而得到广泛应用。为了提高直驱永磁同步风力发电系统性能,必须采用适当的控制策略。对于使用双PWM交-直-交电压型变流器的直驱永磁同步风力发电系统来说,既要对它的电机侧变流器进行控制,又要对电网侧变流器进行控制。控制电机侧变流器的目的是为了控制风力发电机的输出有功功率和机组的风能利用率,同时还可对电机转矩的脉动加以限制;控制电网侧变流器是为了控制发电机输送到电网的有功功率和无功功率。 由于风能具有不确定性、不可控性和随机波动性,使得风力发电机输出的电功率存在很大的波动,如果不加限制并网,不仅会影响电网运行的经济性,甚至还会威胁到电网的安全运行。特别是随着风力发电总装机容量的不断增大,这个问题显得越来越突出。因此,引入先进的控制策略来提高并网风力发电系统输出电能的质量成为亟待解决的问题。 本文针对直驱永磁同步风力发电系统,深入研究了抑制其输出有功功率波动的控制策略。 论文首先建立了直驱永磁同步风力发电系统各组成部分的数学模型,作为进行各种仿真分析的基础;根据经过坐标变换后的永磁同步电机数学模型,建立了电机侧变流器的矢量控制模型;在分析电网侧变流器数学模型的基础上,提出了按照电网电压矢量定向的电网侧变流器矢量控制模型;考虑到风力机因受气动性能的影响而具有很强的非线性,且其桨叶具有很大的惯性,传统的PID变桨距控制难以获得良好的性能,因此设计了模糊变桨距控制器,仿真结果表明,与PID控制的变桨距相比,模糊变桨距控制的具有更好的控制性能;考虑到风力发电机组属于强耦合、非线性、参数易变的系统,因此在其功率控制环节引入滑模控制,仿真结果表明,与PI控制相比,采用滑模控制的系统不仅具有更好的动态性能,还能有效消除电机参数变化和外来扰动的影响,鲁棒性好;论文分析了采用传统功率控制策略的风力发电系统的主要不足,提出了一种无需增加辅助设备的新的功率控制策略,即在有效风速范围内,既采用模糊变桨距控制来调节机组的运行转速,又同时采用转矩动态滑模控制来调节有功功率,仿真结果表明,在恰当设置平滑功率给定的情况下,该控制策略可有效抑制因风速波动等原因引起的发电机输出有功功率波动;同时,论文还研究了直流侧采用飞轮储能系统,在不改变变频器中电网侧变流器和电机侧变流器控制策略的基础上,结合飞轮储能系统的能量控制策略,从而实现了输出有功功率的平滑控制;最后,以高速数字信号处理器和集成智能功率模块为核心,研制了直驱永磁同步风力发电实验平台,并在该平台上进行了有功独立调节、无功独立调节、变速恒频运行、最大风能捕获控制等实验,实验结果验证了前述相关设计及分析的正确性。 本文力图站在电网的角度,对直驱永磁同步风力发电系统的控制策略加以改进。所做工作可为相关工程设计提供一定的理论依据,为实际应用奠定一定的基础。


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