直驱永磁风力发电系统最高效率控制策略的研究

发布时间：2016-08-09 07:15

第1章 绪论

1.1 风力发电发展现状 
1890 年，丹麦人就已研发了世界首部风力发电机。但因当时技术受限，而且在煤、石油、天然气等廉价能源的打压下，风力发电机却无实力与内燃机媲美，从而导致其未能引起关注[6,  17]。1973 年的石油危机后，许多发达国家以寻求替代能源而斥巨资动员高新科技产业，利用信息技术、力学等领域新的科技，成功研发出近现代风电机组，开辟了风电新时代[7]。全球领域的风电蒸蒸日上、蓬勃发展，源自于科技、经济、社会等各方面作用，经历长达 30 余年奋斗，取得骄人成绩[16]。至 2014 年，全球年度装配容量超 50000MW，累计装配容量超 369953MW，图 1-1 为 2004-2014 全球风电系统装配容量。自 2004 年以来，世界年度装机容量保持快速增长，年增长率逾 25%。预计到 2050 年，风能必将为全世界主要供应能源，并步入世界可持续能源行列[18]。 纵观国际风电开拓历程，政策支持尤其重要[8]。每个国家应用控制电价、配套再生能源机制、等政策来扶植和催化风电进步发展。  随着风力发电的飞速进步，各国科研工作者更热衷于风电的研究。德国早已产业化生产 4.6MW 的机组，美国已成功研制 7MW 机组。由于上述国家富有强悍的经济实力和充足科研储备，相关制造水平和控制技术通过长时间的市场培育，在制造、装配、检测、使用、维保等方面已炉火纯青[16-19]。 20 世纪 60 年代，我国逐渐研制拥有实用价值的风电系统，短短几年内就飞速拓展，从制造水准、拓展规模等方面名列世界前端，其中，自立研发而成的离网型风电机可以很好的适用于偏远地区的农业、林业、牧业、副业、渔业。当时，风力发电跨步走向新时代。我们国家陆续制订并实施了推动风电事业发展的诸多政策，旨在大力扶植风电产业的开拓进取。此外，全国人大常委会制订有关法律，为风电事业的持续开拓提供法律支撑[9-11]。 
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1.2 风力发电控制技术
定桨距系统中，桨叶和轮毂是牢固连接的。任凭风速变化，桨叶的受风角度始终不变。基于此特点的前提，风电系统必须面对两个 亟待解决的 问题：第一，如风速高于额定时，桨叶必须有能力自动将实际功率限定于额定功率上下，我们称此种特性为自动失速特性；第二，正在工作的系统如若遇到突然失掉负载的情形，桨叶必须拥有稳定的制动性，使其能足以应付大风力情形，并安稳停机，此种情况一般依靠叶尖扰流器。  定距失速调节优点：结构极其简易，不要求复杂的控制策略，高安全系数；缺点：桨叶结构复杂，工艺流程困难。容量的不断增加，使其任意失速的性质不易控制，并且需要配备附带装置，所以基本很少使用在大容量（兆瓦级以上）系统中。变浆距系统中，桨叶的节距角可变，通常通过调节此参数工作。可以利用改变浆距，即调节相关攻角，使其无论在风速高低时都能获得足够的启动转矩并保持恒稳的输出功率；变距调节优点：启停性能好，运行稳定；缺点：安插了相关控制策略以控制浆距，提高了控制难度。  以上两种方式各有千秋，适应于相异的环境和条件。随着近年风电容量的持续上升，变桨距调节拥有着谁与争锋的优势[24]。 
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第2章 永磁直驱风电系统工作原理 

通常，并网型永磁直驱风电系统如图 2-1 所示，由风机、直驱永磁同步发电机（Direct drive permanent magnet synchronous generator, DDPMSG）、背靠背变流系统和变压器形成[20]。其中，风机将风的动能转化为旋转的机械能，从而拉动发电机转动[21]。发电机则将机械能变化成电能。背靠背变流系统分列为电机侧和电网侧，发电机发出的交流电被机侧变流装置转换成直流电，并依靠调控输出功率，捕获最佳风能；上一步发出的直流电一旦经过网侧变流装置就被转换成交流电，并与电网同频同幅，使功率因数可控，电能质量稳定。滤波器可滤掉低次谐波，变压器主要功能为升压并网。这一章将深入细致阐述永磁直驱风电系统中各部分的理论和原理，为下文的后续研究奠定基础。

2.1 风机的特性 
风机将风的动能转换为旋转机械能,直驱风电系统中，风机与发电机不经过变速箱连接,因此其功率特性、转速特性对设计和工作运转影响巨大。按具体情况限定扰动的最小值 min??,避免计算时溢出。如此一来，实际计算得出的扰动值将在最大值与最小值之间，每个运行周期都有且只有一个转速扰动改变转速，这样奇数（或偶数）周期中，风机的转速都不同，因此计算出的功率斜率总是有意义的。扰动的大小直接决定最大功率的追踪速度。如果在风速较小或者平稳不变的风速下，扰动相当小,使得风机转速平稳；如果在风速很大的情况下，，扰动很大，功率追踪速度也相当快。     即使运用变步长算法，阶梯状波动的指令导致转速急剧波动，为得到能够快速响应的 MPPT 控制，需使MPPTK 足够大，但这样一来，会大大影响风机转速的稳定性。此外需在 MPPT 控制系统的输出段安装一个滤波器来起平滑作用，其截至频率不能高于控制环节的频率段。利用数学建模方法，将这个低通滤波器等效于一阶差分方程。上述方法的目的是快捷安稳的追踪风机最大功率点。但是，当遇到大型风机时，由于大型风机的桨叶具有超出平常很多的惯性，因而其输出功率受到其储存的势能影响，运用以上两种登山算法寻求最大功率，忽略了转速和最大功率之间的关系，而且需要反复求解，会大幅降低效率[42-44]。 
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2.2 永磁同步发电机原理和模型 
永磁同步发电机是整体中能量变换的核心装置。通过控制机侧整流装置,达到能量最大化的效果。现代控制理论中,永磁电机的控制方法普遍釆用基于d、q 旋转坐标下的定向控制。本小节依据坐标变换理论，把静止坐标系（A、B、C）变换至同步旋转系（d、q），并阐述发电机在 d、q 坐标下的模型[26]。依据线性变换原理，可将三相坐标系下对称的物理量转换至两相坐标系下（任意速度）。根据不同的约束条件，坐标变换有两种途径，即恒定功率变换和恒定幅值变换。我们选用后者。
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第 3 章 最佳电流登山算法及其控制策略 ............ 30 
3.1  登山算法的演变历程 ..... 30 
3.1.1  定步长登山算法 ...... 30 
3.1.2  变步长登山算法 ...... 30 
3.1.3  智能登山算法 .......... 31 
3.2  最佳电流控制登山算法 ........... 32 
3.2.1  扰动的相关原理 ...... 32 
3.2.2  流程算法图 .... 34 
3.2.3  最佳电流登山算法控制方案 ...... 36 
3.3  永磁直驱风电机组的控制方案 ......... 36
3.4  本章小结 ..... 40 
第 4 章 风力发电系统最大功率控制仿真 ............ 41 
4.1  风机仿真模型 ....... 41 
4.2  最佳电流控制仿真模型 ........... 43 
4.3  仿真参数的调节 ............. 45 
4.4  最佳电流登山算法仿真 ........... 49 
4.5  本章小结 ..... 51 

第4章 风力发电系统最大功率控制仿真  

4.1 风机仿真模型

最初的风机采用模拟，用软件方法，上世纪 90 年代 U. S. Sandia 实验室利用程序从本体、控制、结构方面进行软件仿真。随着计算机科学与技术、电力电子技术和自动控制技术的不断进步，风机从单纯的软件仿真发展成硬件等效模拟，运用多种多样的电机等效模仿风力机。风机控制模拟方案包含两方面：一方面运算模拟风机，求解参考量（转矩）；另一方面则是参考量（转矩）调节。依据输入模拟风速和模拟反馈转速，解析模型便得出参考量（转矩）。注意，求解参考量时，需要把反馈量m依照实践中的变比 N 折算，控制图如下：依据图 4-1 用 Matlab/simulink 构造用直流电机模拟风机的仿真如图 4-2。主要由四部分构成：而求得风力机参考量转矩mT ，图 4-3 所示为 Matlab 中的风机模块： 2.  脉冲发生器。功能：把输入转矩和被反馈的电机电磁转矩间的偏差量经PI 调制器及信号转换，得到最终的触发脉冲信号，以操控 IGBT 的开关状态，达到持续调节由斩波电路发出的电压的目的。 3.  斩波电路。功能：把调制过的电压导向直流电机，为电机供电。 4.  其他部分为选择的直流电机模型和观测模块，观测模块具有两段输出：第一段：电机转子角速度m；第二段：电机电磁输出转矩eT 。 

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结   论 

最大限度捕捉风能取决伺服机构控制，现阶段成熟的变速恒频技术使得风机无需恒速运转。伴随控制技术深入发展，形成基于登山算法下最大功率跟踪思想。 本文重点研究系统最大功率的最佳捕捉方式，从分析风力机的相关理论入手，研究了最大功率控制理论，提出风电系统最大功率控制方案，通过Matlab/Simulink 对系统仿真，校验了上文所提出控制策略的正确性，并验证了其可靠性。主要结论如下： 1. 在研究几种变速恒频系统及两种追踪算法特点基础上。提出了新型登山算法和建立发电机和变流器的数学模型进而给出了一种最佳电流给定控制方案。 2. 建立了风机的模型，通过仿真得出风机特性曲线。根据风机特性和登山算法的分析扰动的参量、扰动原理及扰动方式导出扰动计算方法，最后，将新型登山算法成功运用于最佳电流控制策略。 3. 利用直流机可控易于实现的优点作为风机的模型，通过控制电机转速和转矩模拟风机输出转速和转矩，进而利用 Simulink 建立该系统仿真模型，通过仿真研究了新型登山算法在永磁直驱式风力发电系统中的运用，得出最佳电流给定登山算法优于传统登山算法方法。  
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参考文献(略)

本文编号：89299