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直驱永磁同步风力发电系统并网运行控制策略研究

作　者: 刘向向
导　师: 王奔
学　校: 西南交通大学
专　业: 电机与电器
关键词: 风力发电直驱永磁同步发电机风电场逆系统方法状态反馈精确线性化变结构控制
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着全世界范围内的能源危机日益严重,人们逐渐将目光转向了新能源发电。风能作为一种清洁、环保、利用方便并且储存量巨大的可再生能源,受到了广泛关注,风力发电技术在世界各国得到了迅速发展。在各种变速恒频(VSCF)风力发电系统中,直驱永磁同步风力发电机组具有结构简单、不需要升速齿轮箱、不存在电刷和滑环、机组运行的稳定性和可靠性较高等优点,成为了当前最主要的发电方式。本文在了解了风力发电的研究意义和国内外研究现状以及直驱永磁同步风力发电机的结构特点的基础上,以直驱永磁同步风力发电机为研究对象,对其三种并网电路的优缺点进行了比较,选择采用双PWM变流器作为它的并网电路。推导出了永磁同步发电机(PMSG)在dq坐标系下的非线性数学模型。采用逆系统方法、变结构控制理论以及转子磁链定向矢量控制相结合的方法设计了发电机侧变流器的变结构控制器；采用电网电压定向矢量控制方法设计了电网侧变流器的PI控制器。搭建了仿真模型,并通过仿真验证了该控制策略可实现发电机输出有功功率的准确控制、并网有功功率和无功功率独立调节、变速恒频发电运行以及双PWM变流器直流侧电压稳定控制。变结构控制与PI控制相比,动态响应速度更快、鲁棒性更好。考虑到风电场输出功率的波动性、间隙性严重影响了电网的稳定运行,为平抑其输出功率波动,提高其并网运行稳定性,选择了在风电场并网母线位置集中配置了钒电池(VRB)储能系统。采用双向AC/DC变流器作为VRB储能系统的功率调节器,并采用非线性控制方法、变结构控制理论以及电网电压定向矢量控制相结合的方法设计了VRB储能系统的闭环控制器。搭建了仿真模型,仿真验证了风速变化时,利用该控制策略,VRB储能系统能够通过快速充放电,平抑风电场输出的功率波动,并且变结构控制的效果优于PI控制；VRB储能系统输出的有功和无功功率可进行独立调节,系统动态性能良好。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-19
  1.1 风力发电概述  12-13
    1.1.1 风力发电的研究意义  12
    1.1.2 风力发电的发展现状  12-13
  1.2 并网型风力发电机组  13-15
    1.2.1 恒速恒频风力发电机组  13
    1.2.2 变速恒频风力发电机组  13-15
  1.3 直驱永磁同步风力发电系统的变流技术与并网电路  15-17
  1.4 直驱永磁同步风力发电系统的控制技术  17
  1.5 风电并网存在的问题及研究现状  17-18
  1.6 本文的研究内容  18-19
第二章直驱永磁同步风力发电机的数学模型  19-28
  2.1 PMSG的数学模型  19-24
    2.1.1 三相静止坐标系下PMSG的数学模型  20-21
    2.1.2 坐标变换  21-23
    2.1.3 两相同步旋转dq坐标系下PMSG的数学模型  23-24
  2.2 风力机的运行特性  24-26
  2.3 基于最佳功率给定的风能跟踪控制原理  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章非线性系统理论  28-37
  3.1 逆系统方法  28-30
    3.1.1 系统的可逆性及逆系统  28-29
    3.1.2 伪线性系统  29-30
    3.1.3 逆系统方法原理  30
  3.2 状态反馈精确线性化理论  30-33
    3.2.1 仿射非线性系统  30-31
    3.2.2 多输入输出仿射非线性系统的相对阶  31
    3.2.3 状态反馈精确线性化条件  31-32
    3.2.4 非线性系统线性化标准型  32-33
  3.3 滑模变结构控制的基本理论  33-36
    3.3.1 滑模变结构控制的基本原理  33-35
    3.3.2 滑模变结构控制器的设计  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章双PWM变流器的控制策略  37-49
  4.1 发电机侧变流器的控制  37-43
    4.1.1 概述  37-38
    4.1.2 有功功率控制环设计  38-39
    4.1.3 定子电流控制环设计  39-43
  4.2 电网侧变流器的控制  43-48
    4.2.1 电网侧变流器的基本控制原理  43-45
    4.2.2 电网侧变流器的数学模型  45
    4.2.3 直流环节  45-46
    4.2.4 电网侧变流器的矢量控制  46-48
  4.3 本章小结  48-49
第五章直驱永磁风力发电系统仿真分析  49-58
  5.1 仿真模型的搭建  49-51
    5.1.1 风力机的仿真模型  49
    5.1.2 直驱永磁同步风力发电系统的仿真模型  49-50
    5.1.3 双PWM变流器的控制器仿真模型  50-51
  5.2 仿真结果分析  51-57
    5.2.1 并网运行时两种控制策略的仿真研究  51-52
    5.2.2 变结构控制时发电机侧变流器的仿真研究  52-53
    5.2.3 并网有功功率独立调节的仿真研究  53-54
    5.2.4 并网无功功率独立调节的仿真研究  54-55
    5.2.5 变速恒频发电运行  55-57
  5.3 本章小结  57-58
第六章基于储能系统的风电场并网功率平抑控制  58-70
  6.1 概述  58-59
  6.2 VRB储能系统的构成及等效电路模型  59-60
  6.3 储能系统功率调节器的数学模型  60-61
  6.4 储能系统功率调节器的控制策略  61-66
    6.4.1 功率控制环设计  61-62
    6.4.2 电流控制环设计  62-66
  6.5 系统建模与仿真分析  66-69
    6.5.1 仿真模型的建立  66-67
    6.5.2 储能系统有功功率仿真研究  67-69
    6.5.3 储能系统无功功率仿真研究  69
  6.6 本章小结  69-70
结论  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表论文  77

直驱永磁同步风力发电系统并网运行控制策略研究

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