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变速风力发电系统变流与优化控制研究

宋平岗  
【摘要】: 本文主要研究变速风力发电系统变流器及风力能源获取最大化控制等问题,目的是使系统输出能量最大化,提高系统的效率。通过研究提出了基本的电力电子变流器和控制平台,介绍了系统的硬件和软件组成。 为了将风力能源送上电网,变速风机需要电力电子装置将电压和频率可变的电能变换为符合电网标准的能源。文中研究了单相和三相变流器在风力发电系统中的拓扑结构、控制策略。 变速风力发电系统的建模和仿真,对了解系统的特性和开发更先进的控制系统是十分必要的。本文用MATLAB/SIMULINK软件对系统中的部件,包括风机、单相IGBT变流器、三相IGBT变流器、同步发电机、整流器等都建立了模型。仿真和试验证明了模型的正确性。由于不同部件模型中的动态时间常数不同,本文运用了一种独特的方法,将这些模型合并为一个完整的风力发电系统功率模型。 当风速处在中高值时,发电机输出电压额定,此时风力发电系统恒功运行,通常电力电子变流器运行在最大额定功率状态。因此在低风速时研究能量最大化的控制策略就十分重要,研究过程中提出了变流器的五种拓扑结构:单向逆变器、倍压整流器、BOOST升压斩波器、多电平矩阵变换器、Z源变换器。这些方案在论文中都进行了阐述、分析和实验。应用这些新的方法,使能量输出获得了重大的改善。理论仿真和试验都验证这些新型拓扑结构的可行性。 最大风力能源的获取,不但依赖系统正确的硬件设计,而且需要专门的控制软件。变速风力发电系统中最大能量获取算法,近年来成为一个热门的研究课题。尽管这些算法基于不同的变流器拓扑结构,本文根据它们的原理,分析和总结叶尖速比控制算法、功率信号反馈算法、登山搜索算法。并在已有文献的基础上,通过改进登山搜索算法,提出了一种智能能量最大化的控制算法。这种算法具有独特的在线自适应和优化功能,通过连续改善风力发电系统的特性,达到取得最大能源变换效率的目的。这种算法不依赖于风力发电系统的特性,不需要测量风速和风机的转速。因此,它可以应用在各种不同的风力发电系统中,即使风机的参数和硬件结构各不相同。为了进一步研究这种算法,进行计算机仿真,结果表明了这种算法的优越性。为了证明该算法的可靠性,在实验室内,将控制算法应用到风力系统的试验平台中,并将试验结果与仿真结果进行比较。 利用电力电子变流技术的风力发电系统是风力能源系统中一个发展迅速的分支,基于逆变技术和先进控制技术的系统可以使风机在不同的风速下运行在最大功率状态。以电力电子变流技术为基础的能源变换系统具有风能利用效率高,动态响应快等特点。


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