独立运行式风电系统的能量转化与控制技术研究

【摘要】： 作为分布式发电的一个朝阳产业,独立运行式风力发电是解决无电网架设地区用电短缺的重要途径之一。为了使其更好的适应各领域的需要,围绕着独立运行式风力发电技术的研究工作不断深入,所涉及的内容包括风能的捕捉、机械能向电能的转换和电能的变换等。为了进一步提高电机与能量变换电路的效率,对高频整流器和逆变器相关技术进行深入分析,对最大功率跟踪和偏航系统的运行机理、系统设计到装置调试等几个方面开展研究工作。 首先,本文对独立运行式风力发电系统的系统构成和各环节的运行机制进行了对比分析。为了设计出满足需要的控制器以便于对系统各环节实施准确有效的控制,论文对风力机、永磁同步发电机和三相PWM变流器等被控对象的运行特性进行了分析,建立了对应的数学模型。 其次,采用的具有升压功能的三相Boost整流器进行变流控制。这种控制方法的特点是减少了功率模块开关损耗,能够实现系统较高的功率因数输出。搭建基于MATLAB/Simulink仿真模型,对扇区分割方法和控制策略进行仿真分析;通过基于TMS320F2812 DSP实验平台验证控制策略的可行性。 再次,针对逆变单元的应用要求,对无差拍控制进行了深入研究。依据状态空间法对无差拍控制进行了本质分析,给出具有快速动态响应的无差拍控制的离散控制方法。通过仿真验证系统负载变化时系统的动态可靠性,由单片机控制的实验平台对控制策略进行了验证。 最后,为适应实际工况风力的不确定性,本文从风力机的特性出发,以登山寻优法为基础,采用一种根据功率点所在位置判断寻优速度的控制方法,用三点比较法代替传统的两点比较法对最大功率点进行快速锁定。经仿真验证得知,新的控制方法具有响应速度快、转速波动小等优点。同时为克服风向的随机性,对偏航系统的控制进行了研究,完成了满足复杂风况要求的硬件设计和程序设计,实验验证偏航系统控制满足设计要求,运行状态良好。 【关键词】：独立运行式风力发电 三相Boost变流器 无差拍控制 最大功率跟踪 偏航控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景及意义10-12
• 1.2 独立运行式风力发电的现状与发展趋势12-13
• 1.3 独立运行式风电系统的控制技术13-16
• 1.3.1 独立运行式风电系统的能量变换技术13-14
• 1.3.2 独立运行式风电系统的电控技术14-16
• 1.4 本文的研究内容16-17
• 第2章 独立运行式风力发电系统的系统构成和数学模型17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 独立运行式风电机组的系统构成和性能分析17-21
• 2.2.1 风电机组的系统构成17-18
• 2.2.2 风力机组变流装置的性能分析18-20
• 2.2.3 风电机组电控装置的性能分析20-21
• 2.3 独立运行式风力发电系统的数学模型21-27
• 2.3.1 风力机的数学模型21-24
• 2.3.2 永磁同步发电机的数学模型24-25
• 2.3.3 整流器的数学模型25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 三相Boost 型整流器的设计与研究28-43
• 3.1 引言28
• 3.2 三相Boost 整流器的工作原理28-36
• 3.2.1 三相Boost 整流器工作扇区的划分方法29-30
• 3.2.2 三相Boost 整流器开关方式和拓扑结构分析30-32
• 3.2.3 三相Boost 整流器工作原理分析32-36
• 3.3 基于DSP 的三相Boost 整流器的实现36-39
• 3.4 系统的仿真和实验39-42
• 3.4.1 仿真分析39-41
• 3.4.2 实验研究41-42
• 3.5 小结42-43
• 第4章 基于无差拍控制的单相逆变器研究43-54
• 4.1 引言43
• 4.2 逆变器的数字控制原理43-44
• 4.3 无差拍控制在单相逆变器中的应用44-47
• 4.3.1 单相逆变器的状态空间模型45-46
• 4.3.2 单相逆变器无差拍控制的原理46-47
• 4.4 基于数字信号处理器的无差拍逆变器控制47-50
• 4.4.1 无差拍控制脉宽调制原理47-48
• 4.4.2 无差拍控制算法的程序设计48-50
• 4.5 系统仿真与实验50-53
• 4.5.1 仿真分析51-52
• 4.5.2 实验研究52-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第5章 风电机组的功率优化控制54-75
• 5.1 引言54
• 5.2 风电机组最大功率跟踪控制理论54-60
• 5.2.1 最大功率跟踪控制策略研究55-56
• 5.2.2 变步长三点登山法的改进56-58
• 5.2.3 最大功率跟踪的程序设计58-59
• 5.2.4 最大功率跟踪的仿真分析59-60
• 5.3 偏航系统的结构组成60-63
• 5.4 偏航系统的设计63-71
• 5.4.1 自动偏航设计63-65
• 5.4.2 自动解缆偏航设计65-68
• 5.4.3 手动偏航设计68-69
• 5.4.4 90°侧风偏航设计69-70
• 5.4.5 脉冲中断程序设计70-71
• 5.5 偏航参数的计算与实验71-74
• 5.5.1 偏航参数的计算72
• 5.5.2 偏航和制动的实验研究72-74
• 5.6 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-80
• 攻读学位期间发表的学术论文80-82
• 致谢82

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