基于电励磁双凸极电机的独立风电系统功率控制的研究

【摘要】：独立运行的风力发电系统是风力发电的重要应用方式之一，因此研究可靠性高、成本低和控制性能优良的独立风力发电系统是风力发电技术发展的必然要求。电励磁双凸极电机可靠性高、成本低、发电调压方便，应用于风力发电系统中具有独特的优势，符合风力发电技术的发展趋势。良好的独立风电系统功率控制策略是提高风能利用效率，保证负载稳定供电的关键之一。研究适合电励磁双凸极电机的独立风电系统的功率控制策略具有重要理论意义与实用价值。 本文首先介绍了基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的构成，重点分析了风轮机和电励磁双凸极发电机的工作原理，结合电励磁双凸极电机励磁电流、电枢电流均可调的特性，给出了励磁电流控制功率、电枢电流调压和电枢电流控制功率、励磁电流调压的两种系统功率控制方案。之后，根据系统各部分的数学模型在MATLAB中建立对应的仿真模型，对两种系统控制方案分别进行了仿真研究，从而得出控制效果较为优越的基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的功率控制策略，仿真结果验证了控制策略的有效性。 最后，在实验室已有风轮机模拟系统的基础上，构建基于电励磁双凸极电机的独立风电系统模拟实验平台，分别对励磁电流控制功率、电枢电流调压和电枢电流控制功率、励磁电流调压的两种系统控制方案进行实验研究，实验结果验证了系统控制策略的有效性。 【关键词】：风力发电 系统功率控制 最大风能跟踪 负载功率跟踪 电励磁双凸极发电机 电枢电流控制功率 励磁电流控制功率
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 风力发电的研究背景与意义12
• 1.2 风力发电系统的运行方式12-13
• 1.2.1 并网运行风力发电系统12-13
• 1.2.2 独立运行风力发电系统13
• 1.3 独立风电系统的研究现状13-17
• 1.3.1 风力发电机的研究现状13-14
• 1.3.2 独立风电系统的系统构架14-16
• 1.3.3 独立风电系统的功率控制策略16-17
• 1.4 课题的研究目的与意义17
• 1.5 课题的主要研究内容17-19
• 第二章 基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的组成及工作原理19-33
• 2.1 基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的组成19
• 2.2 风轮机特性及其运行原理19-21
• 2.3 电励磁双凸极风力发电机的基本工作原理21-25
• 2.3.1 电励磁双凸极风力发电机的基本结构21-22
• 2.3.2 电励磁双凸极风力发电机的磁路特性22-24
• 2.3.3 电励磁双凸极风力发电机的数学模型24-25
• 2.3.4 电励磁双凸极风力发电机的调压及转矩控制原理25
• 2.4 蓄电池的工作方式以及双向 DC/DC 的工作原理25-27
• 2.4.1 蓄电池的工作方式25-26
• 2.4.2 双向 DC/DC 的工作原理26-27
• 2.5 基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的 MATLAB 建模27-32
• 2.5.1 风轮机模块的建模28-29
• 2.5.2 电励磁双凸极发电机模块的建模29-31
• 2.5.3 双向 DC/DC 和蓄电池模块的建模31
• 2.5.4 整流器和负载模块建模31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 基于电励磁双凸极电机的独立风电系统控制策略及其仿真分析33-54
• 3.1 系统的工作模式以及控制要求33-35
• 3.1.1 系统的工作模式及其转换关系33-34
• 3.1.2 系统的控制要求34-35
• 3.2 系统功率控制的原理35-39
• 3.2.1 最大风能跟踪控制的原理35-36
• 3.2.2 负载功率跟踪控制的原理36-38
• 3.2.3 系统运行状态切换控制的原理与建模38-39
• 3.3 系统控制方案选择39-47
• 3.3.1 励磁电流控制功率、电枢电流调压方案原理与建模39-41
• 3.3.2 电枢电流控制功率、励磁电流调压方案原理与建模41-43
• 3.3.3 两种系统控制方案的仿真对比43-47
• 3.4 独立风电系统功率控制的仿真研究47-53
• 3.4.1 最大风能跟踪状态的仿真47-49
• 3.4.2 负载功率跟踪状态的仿真49-51
• 3.4.3 系统运行状态实时切换的仿真51-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 基于电励磁双凸极电机的独立风电系统的实现54-62
• 4.1 系统模拟实验平台的总体结构54
• 4.2 系统的硬件单元设计54-58
• 4.2.1 主控单元设计55
• 4.2.2 信号采样调理及保护电路55-57
• 4.2.3 功率变换器及其驱动设计57-58
• 4.2.4 系统辅助电源设计58
• 4.3 系统的软件单元设计58-61
• 4.3.1 DSP 程序设计58-60
• 4.3.2 CPLD 程序设计60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 独立风电系统功率控制的实验研究62-69
• 5.1 独立风电系统模拟平台输出特性测试62-63
• 5.2 系统控制方案的实验对比63-65
• 5.2.1 定风速、定负载时最大风能跟踪状态的实验对比63-64
• 5.2.2 定风速、变负载时负载功率跟踪状态的实验对比64-65
• 5.3 独立风电系统功率控制策略的实验研究65-68
• 5.3.1 最大风能跟踪状态的实验65-66
• 5.3.2 负载功率跟踪状态的实验66-68
• 5.3.3 系统运行状态实时切换的实验68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文75-76
• 附录76

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