电磁耦合调速型风电机组最大风能跟踪控制研究

摘要

随着风电机组装机规模的持续增大，传统风电机组并网后对电网适应能力差的问题也日益凸显出来。针对这些问题，近些年来，采用传统同步发电机直接并网的调速型同步风电机组越来越受到各国研究人员的关注。本文将以我国自主研发的电磁耦合调速型风电机组为研究对象，在分析了风力机和电磁耦合器的工作原理及运行过程的基础上，针对该类型风电机组的最大风能跟踪控制和恒转速区的转速闭环控制展开研究，主要工作如下：
　　首先，介绍了风电产业的发展状况，总结了风电行业的发展趋势，对比了双馈异步型和永磁同步型风电机组的优缺点。阐述了开关磁阻发电机、永磁高压发电机和磁齿轮复合发电机等新型风电机组的运行特性及其研究现状。对利用WinDrive液力变矩器、ChapDrive液压传动系统、差动齿轮箱和电磁耦合器等不同调速装置的同步风力发电系统的国内外研究近况作了具体说明。
　　其次，具体介绍了电磁耦合调速型同步风电机组前后轴系的结构组成。详细说明了电磁耦合器的工作特性及运行原理，并据此建立电磁耦合器在dq和mt坐标系下的数学模型。结合电磁耦合器的工作原理归纳了风力机在最大风能跟踪区、恒转速区和恒功率区的转矩特性。
　　然后，归纳了叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山搜索算法和最优转矩算法等最大风能跟踪控制方法的原理特性，并总结了各自的优缺点。忽略传动轴系的机械损耗，在最大风能跟踪区和恒转速区分别采用最优转矩和转速闭环的控制方法建立电磁耦合器调速型同步风电机组的风能跟踪控制的仿真模型。在以上两种运行区域及其过渡区的阶跃和随机两种风况下的仿真结果表明，基于PI调节器的最优转矩风能跟踪控制方法可对风力机在不同运行区域的转速进行有效的调节，达到了风能跟踪的目的。但该控制算法不能使风力机准确地以最优叶尖速比的运行方式工作，降低了机组的风能利用效率。
　　最后，为提高风能利用效率，实现风能的快速跟踪，提出了将反推滑模控制与最优转矩控制相结合的风能跟踪方法。依据反推和滑模变结构控制原理，分别设计了应用于恒转速区和最大风能跟踪区的转速反推控制器和转矩反推滑模控制器，对电磁耦合调速型同步风电机组的风能跟踪效果进行了仿真实验。随机风速和阶跃风速下的仿真结果证明，该风能跟踪方法的动静态性能良好，鲁棒性强。与转矩反推控制和传统最优转矩控制相比，该方法能够使风力机快速准确地跟踪风速的变化，使其以最佳叶尖速比运行，更好地实现了最大风能跟踪的目标。

目录

声明

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2风电发展概述

1.3 调速型同步风电机组的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 电磁耦合调速型风电机组的原理与建模

2.1 电磁耦合调速型风电机组的组成

2.2 风力机的运行特性

2.3 电磁耦合器的运行特性

2.4 电磁耦合调速型风电机组的运行工况

2.5 本章小结

第3章 最大风能跟踪方法的研究

3.1最大风能跟踪控制的原理

3.2 几种不同的风能跟踪控制方法

3.3 其他最大风能跟踪控制方法

3.4 本章小结

第4章 基于最优转矩控制的最大风能跟踪仿真研究

4.1 最优转矩控制器的设计

4.2 仿真验证与分析

4.3 本章小结

第5章 基于反推滑模控制的最大风能跟踪研究

5.1 反推控制

5.2 反推滑模控制

5.3 仿真验证与分析

5.4 本章小结

结论与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录