无刷电励磁同步发电机风能利用效率及控制策略研究

【摘要】：在传统能源储量的下降，市场价格日益走高，生态环境持续恶化的今天，竭力推进真正绿色、可再生的新能源是当务之急。世界风电产业的飞速发展，并网容量不断增加，研发具有自主知识产权的风力发电系统对提高市场竞争力和我国经济都有着深远的影响。但国内现有大型风电机组不成熟，缺乏核心技术，各种问题和故障层出不穷，近年来大面积的风电机组脱网事故更是井喷一般。针对现有风力发电机组的不足，本文以无刷电励磁同步发电机为基础，提出了一种新型、优化的励磁控制策略，实现风力发电系统的最大风能利用。 励磁控制是同步发电机稳定、高效运行的基础，一直是人们关心的课题和研究、努力的方向。将无刷电励磁同步发电机运用在风力发电中，参考最大风能利用，结合风力系统的特性，优良的励磁控制策略不仅能提高机组的可靠性，更可以有效地改善系统的技术指标。 首先，本文对风力发电的基本理论、机组结构和工作特性进行了介绍，分析了同步发电机的基本原理、类型、数学方程和模型、相量图和等效电路，比较了同步发电机在单机、并网以及在风力发电中运行的共同点和区别。 其次，分析了同步发电机励磁对机端电压、功率和稳定运行的影响，从结构、控制要求和控制原理方面对励磁控制系统进行了总结研究，并在现有典型同步发电机励磁系统应用的基础上，深入研究了无刷励磁技术和无刷励磁控制系统。 无刷电励磁技术是在传统的同步发电机有刷励磁系统基础上，结合电力电子技术，微电子技术，自动控制技术逐渐完善和创新发展起来的。包括旋转整流器，交流主励磁机，副励磁装置和控制单元等部分，特点是无滑动接触部分，维护简单，可靠性高，可长期运行而不要保养，特别适用于无人管理或者管理困难的场合或者恶劣的环境条件下。本文从控制模式，控制算法、控制模型等方面，研究了无刷电励磁系统的控制策略，最后结合数字式控制单元提出了两种可行的实现方式。 最后，通过搭建并网型全功率逆变无刷电励磁同步风力发电实验系统，以实验手段证明无刷励磁控制策略在风力发电系统应用中可行性、正确性和优越性，并验证其对理想功率曲线的追踪和实现。 【关键词】：风力发电 无刷电励磁 同步发电机 励磁控制
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题背景与研究意义11-12
• 1.2 风力发电现状12-13
• 1.2.1 世界风力发电行业概况12
• 1.2.2 中国风电发展所面临的矛盾与挑战12-13
• 1.3 风力发电技术概况13-20
• 1.3.1 风力机类型13-15
• 1.3.2 水平轴风力机的结构和组成15-17
• 1.3.3 发电系统17-18
• 1.3.4 主要的变速恒频风力发电系统18-20
• 1.4 本文主要的研究内容及安排20-23
• 2 无刷电励磁同步发电机23-39
• 2.1 同步发电机的概述23-24
• 2.2 同步发电机的基本原理24-29
• 2.3 电压方程、相量图和等效电路29-34
• 2.3.1 隐极同步发电机29-32
• 2.3.2 凸极同步发电机32-34
• 2.4 功率方程和转矩方程34
• 2.5 稳态运行特性34-36
• 2.6 同步发电机在风力发电中的运行特性分析36-39
• 3 无刷电励磁系统39-55
• 3.1 同步发电机励磁的作用39-42
• 3.2 同步发电机励磁控制系统42-47
• 3.2.1 励磁控制系统的控制要求42-43
• 3.2.2 励磁系统的典型型式43-47
• 3.3 无刷励磁系统47-55
• 3.3.1 无刷励磁技术47-48
• 3.3.2 无刷励磁系统的结构48-49
• 3.3.3 旋转整流器49-53
• 3.3.4 控制单元53-55
• 4 无刷励磁控制系统55-69
• 4.1 控制策略55-58
• 4.2 控制算法58-63
• 4.2.1 PID58-60
• 4.2.2 线性最优60-61
• 4.2.3 模糊 PID61-63
• 4.3 控制模型63-65
• 4.3.1 励磁机传递函数63
• 4.3.2 旋转整流器传递函数63-64
• 4.3.3 同步发电机传递函数64
• 4.3.4 同步无刷系统结构框图64-65
• 4.4 控制实现65-69
• 4.4.1 基于 DSP 的控制单元65-67
• 4.4.2 基于 PLC 的励磁控制系统67-69
• 5 基于无刷电同步发电机的风力发电系统69-89
• 5.1 无刷同步风力发电系统组成69
• 5.2 风能捕获及最大风能利用69-75
• 5.2.1 贝茨理论70-71
• 5.2.2 风力机特性71-73
• 5.2.3 风力机的控制原理73-75
• 5.3 风力发电机组的控制策略75-77
• 5.3.1 控制系统功能75-76
• 5.3.2 控制策略76-77
• 5.4 无刷电励磁同步风力发电机控制策略的验证77-87
• 5.5 总结87-89
• 6 总结与展望89-91
• 6.1 总结89-90
• 6.2 展望90-91
• 致谢91-93
• 参考文献93-97
• 攻读硕士期间发表的学术论文及专利目录97-98

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