永磁同步风力发电机功率平滑控制研究及主控系统设计

发布时间：2020-09-08 19:11

　　随着社会的高速发展,能源需求也不断增大,以煤、石油、天然气为主的化石能源不仅储量有限,而且造成了严重的环境污染。作为清洁安全、资源丰富的可再生能源,风能的开发利用及研究受到世界各国的青睐。永磁同步风力发电系统具有发电效率高、可靠性高、运行及维护成本低等优点,已成为大型风力发电系统主要类型之一。风电机组的控制技术是风力发电的关键技术,精确地控制、完善的功能是保证风电机组稳定高效运行的条件。由于风电场大多处于自然条件恶劣、且无人值守的环境中,这就要求控制系统具有较高的可靠性和完备的控制功能。本文以永磁同步风力发电机组为基础,通过建立风机和发电机的数学模型,对风电机组的控制原理进行分析,并对几种常见的最大风能跟踪(Maximize power point tracking-MPPT)控制策略进行比较,选用最优转矩控制作为风电机组的MPPT控制方法。根据不同的风速对风电机组的运行区间进行划分,根据不同的控制目标和控制策略,通过转矩和变桨控制系统,实现风电机组的稳定高效运行。针对传统MPPT控制策略下风电机组输出功率波动大,从而影响电网稳定运行的问题,本文提出了基于变桨的全风速范围内风电机组功率平滑控制策略,将变桨控制和转矩控制相结合实现风电机组平滑地跟踪最大风能。基于Matlab/Simulink软件平台,对一台2.5MW高速永磁同步风电机组功率平滑控制进行仿真研究,结果表明,本文提出的控制策略能够有效抑制功率波动,而且能避免发电机组超速运行。根据风电主控系统功能设计和性能要求,选用基于PC的倍福工业控制器作为主控系统硬件,并在倍福TwinCAT 3软件平台进行主控软件开发并对主控程序和各子系统进行了测试。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315
【部分图文】：

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图 1-1 2001-2017 年全球风力发电累计装机容量情况Fig. 1-1 Global installed capacity of wind power generation in2001-2017随着欧洲普遍支持可再生能源的发展，风力发电尤其是海上发电成为欧洲市场的亮点。2016 年，欧洲海上风电新增装机 1560.00MW，累计装机容量达 12588.98MW。2017年上半年，欧洲海上发电新增装机容量达 1.34GW，累计装机容量达 13.93GW。2017 年全年，欧洲北海全部海上风电总计发电量 159.7 亿 KWh，比 2016 年(108.3 亿 KWh)增加了将近一半(47%)。据前瞻预测，到 2030 年，欧洲北海和波罗的海以及部分大西洋海域的海上风电可满足欧盟国家 7%-11%的电力需求。同国外相比，我国风电行业的发展速度相对放缓。2003 年至 2010 年我国为风电行业快速发展期，风机新增装机容量从 0.098GW 增长到 18.93GW，7 年间新增装机量同比增加 193 倍。由于风场开发速度过快，配套输电网建设没有同步跟上，我国风电新装机速度放缓。2016 年风电新增并网容量降为 19.3GW，同比降低 41.5%。进入 2017 年以来，风电行业持续低迷，全年风电新增并网容量 15.0GW，同比降低 22.1%。我国风电新增并网容量连续两年下滑，是由产业内部结构调整造成的，并不是行业整体走向低谷。随着国内风电整机制造商对 MW 级风电机组的研发和投用，我国风电技术开始向大

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基本结构图如图2-1 所示。图 2-1 永磁同步风电机组结构图Fig. 2-1 Structure of permanent magnet wind power generation system风机将风能转换为机械能，永磁同步电机将机械能转换为电能，经过变流器得到符合要求的电压输送到电网。控制系统主要由三部分组成：转矩控制、变桨控制和安全保护控制【13】。其中转矩控制主要用于电机调速和风电机组的减振，从而实现最大风能跟踪控制并降低风机疲劳载荷；变桨系统通过控制桨距角，实现风机的启停和额定风速以上的恒功率控制；安全保护控制包括主动和被动保护系统，在风电机组发生超常振动、发电机超速、电网异常、出现极限风速等情况时保护风电机组【14】。2.2 风机运行原理风机输出的机械功率可表示为：(,)2123 turpP RvC(2.1)风机的机械转矩为：(,)2123 pturturturturRvCPT (2.2)式中：为空气密度；R 为风机叶轮半径；v为风速；tur 为风机叶轮转速；pC 为风能利用系数，可表示为叶尖速比和叶片桨距角的函数，近似计算公式为：

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西安理工大学硕士学位论文 10.0350.08110.45)116(,)0.52(321/ CepvRtur 同的值时，风能利用系数pC 和叶尖速比的关系如 0 时的最佳叶尖速比，对应的pmaxC 为最大风能利用风电机组能够捕获最大风能，可以通过调节风，使叶尖速比为最优值opt ，。

【参考文献】