孤岛双馈风力发电机组优化运行的控制研究

摘要

电力行业占全球能源消费的份额逐年增大，成为能源结构变化的关键。在低碳能源备受全球追捧的大环境下，风力发电自然是不可忽视的主流发电方式。相对于蓬勃发展的并网型风力发电，孤岛型风力发电同样具有可观的发展前景，在节约资源满足无电人口需求的同时，更是智能电网的重要补充。本文选取风力发电中广泛应用的双馈风力发电机组为研究对象，研究其孤岛运行下的优化控制策略，以提高输出电能质量和风能利用率。本研究主要内容包括：
　　⑴阐述了经改善的系统拓扑结构中主要功能部件的机理和特性;给出了双馈电机和负载侧变换器在同步旋转坐标系中的数学模型，奠定课题研究的理论基础;搭建了孤岛双馈风力发电系统的Matlab仿真模型。
　　然后，基于常用的定子磁链强迫定向的方式，建立了以定子电压为外环的双闭环矢量控制策略，以稳定双馈电机孤岛运行下的定子输出电压。仿真实验结果表明，该策略能有效实现定子电压精确跟踪给定电压，解决了间接电流控制的不足。
　　⑵针对风速变换过程及负载投切过程带来的电压波动幅值较大，且参数鲁棒性不强的特点。开展了孤岛双馈风力发电机组的滑模直接电压控制策略的研究。针对系统变量多且耦合程度高的特点，采用相对增益阵列分析系统变量关系，建立了直接电压控制关系，简化了控制结构;考虑了风速变换过程、负载投切过程带来的电压波动，以及电机参数变化和一些未知外界扰动的影响，采用滑模变结构控制，力求控制器对扰动作出迅速响应，以提高输出电能质量。与相应的矢量控制策略进行了仿真分析和比较，结果表明，所采用的控制策略能有效抑制因风速波动、负载切换而引起的电压扰动，同时使系统具有参数鲁棒性，达到优化运行的控制目的。
　　⑶开展了孤岛双馈风力发电机组的最大风能捕获策略的研究。采用蓄电池及其充放电控制器代替负载侧变换器控制直流母线电压，而负载侧变换器用于间接控制双馈电机的定子输出有功功率，从而追踪最大功率点，以提高风能利用率。仿真结果表明，所采用的控制策略能实现双馈电机孤岛运行下输出功率和转速的控制，从而维持风能利用系数处于最大值，捕获最大风能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 能源与风力发电的现状及趋势

1．2 孤岛双馈风力发电机组运行控制的研究现状

1．3 课题研究背景及来源

1．4 本文的主要内容及安排

第二章 孤岛双馈风力发电系统与模型

2．1 孤岛双馈风力发电系统

2．1．1 风力机的运行特性

2．1．2 双馈电机变速恒频运行的机理

2．1．3 双PWM变换器概述

2．2 双馈电机的基本数学模型

2．2．1 三相静止坐标系中的数学模型

2．2．2 矢量幅值恒定原则下的坐标变换

2．2．3 同步旋转坐标系中的数学模型

2．3 负载侧变换器的基本数学模型

2．3．1 三相静止坐标系中的数学模型

2．3．2 同步旋转坐标系中的数学模型

2．4 孤岛双馈风力发电系统的仿真模型

2．5 本章小结

第三章 孤岛双馈风力发电机组电压矢量控制

3．1 矢量控制方法的基本思想

3．2 电压矢量控制器的设计

3．2．1 系统变量关系分析

3．2．2 内环调节器的设计

3．2．3 外环调节器的设计

3．3 Matlab仿真结果与分析

3．4 本章小结

第四章 孤岛双馈风力发电机组滑模直接电压控制

4．1 基于RGA的系统分析方法

4．1．1 基于RGA分析系统的基本思想

4．1．2 基于RGA的系统控制关系分析

4．2 直接电压控制关系的分析

4．3 滑模变结构控制

4．3．1 基本思想

4．3．2 基本条件

4．3．3 抖振问题

4．3．4 滑模变结构控制器的设计

4．4 滑模直接电压控制器的设计

4．5 Matlab仿真结果与分析

4．6 本章小结

第五章 孤岛双馈风力发电机组最大风能捕获策略

5．1 最大风能捕获原理

5．2 孤岛双馈风力发电系统的功率关系

5．3 负载侧变换器的功率控制策略

5．4 Matlab仿真结果与分析

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢