开关磁阻风力发系统的输出功率提高与优化研究

摘要

随着人类社会的不断发展，尤其在进入工业文明以来以后，取得了长足发展与巨大进步，但是，能源与环境问题在世界经济与人口不断增长的过程中也愈发严峻。不可再生能源，石油、煤炭和天然气等的过度开采和利用，已经不能满足人们对能源的需求，由不可再生能源产生的环境问题也越发严重。研究开发新能源，改善能源结构，已达到迫在眉睫的地步。太阳能、风能、水能、生物能和地热能等可再生清洁能源的开发利用，开始逐渐受到各国政府的重视。其中风能作为一种清洁、且分布广泛的新型能源，开始受到不同国家政府的正视。
　　本文将重点研究开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator， SRG)在风电中的应用。以提高SRG风电系统输出功率和输出效率为要求，研究了相关控制参数，励磁模式对开关磁阻风电系统发电性能的影响。提出了一种基于Z源网络的SRG强化励磁的方法，并运用分子动理论优化算法优化控制SRG输出功率。最后研发出了一套20Kw SRG风力发电系统实验样机平台进行实验测试，为更好的分析SRG风力发电系统的各输出参数，采用汇编语言和C语言混合编程技术，开发出上位机软件，对系统进行检测。
　　本文所做的主要研究工作如下：
　　(1)对目前已经应用的风力发电机进行了分类总结,概括比较了现有风力发电机的优缺点。对SRG在风力发电中的应用优势，以及SRG在国内外的研究进展进行概括。
　　(2)介绍了SRG风电系统基本理论和组成，分析了SRG的工作原理，总结SRG由自励和他励两种励磁模式衍生出的多种不同的励磁模式，分析常见的SRG功率变换器，介绍了开关磁阻发电机两种不同的转子位置检测方法。
　　(3)通过分析SRG线性数学模型下电感与转子角度位置的关系，推导出相电流与电感的数学关系，简述开关磁阻发电机三种传统控制方法的工作原理和优缺点，对现有三种开关磁阻发电机的控制策略进行概述。
　　(4)针对与开关磁阻发电机在低风速段时，运动电动势低于发电电动势、致使发电区间小于励磁区间的问题，提出将Z源网络耦合到励磁电源与不对称半桥功率变换器之间的方法，强化SRG的励磁电压，使励磁电流上升加速，励磁区间变小，使SRG低速段的发电效率得到提高。通过MATLAB仿真结果和实验测试，验证了新型Z源网络功率变换器能优化SRG的低速段性能。
　　(5)通过研究开关磁阻发电机输出功率的数学模型，提出运用分子动理论优化算法来优化SRG的输出功率，在MATLAB/SIMULINK仿真平台上，通过算法仿真，验证算法的正确性和可行性。
　　(6)搭建了开关磁阻发电系统硬件实验平台和设计了控制软件和上位机软件。针对20kW开关磁阻风力发电系统实验样机进行相关基础实验，对比实验数据，绘制出实验波形。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2国内外风力发电机的类型和研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 开关磁阻发电机系统结构及运行机理

2.1SRG系统的基本原理

2.2开关磁阻发电机励磁模式

2.3 开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构

2.4开关磁阻发电机转子位置的检测

2.5 本章小结

第三章 开关磁阻发电机的线性数学分析和控制方法

3.1 SRG线性数学模型下电感与转子角度位置的关系

3.2 SRG相绕组电流计算

3.3开关磁阻发电机控制方法

3.4开关磁阻电机发电控制策略

3.5本章小结

第四章 基于Z源网络的开关磁阻发电机强化励磁效率提高研究

4.1 SRG低速段电流斩波控制发电原理

4.2 SRG的Z源功率变换器拓扑

4.3 Z源功率变换器工作状态分析

4.4 基于Z源网络的开关磁阻发电机低速段强化励磁仿真

4.5 不对称半桥功率变换器SRG与Z源功率变换器SRG效率比较

4.6本章小结

第五章 基于分子动理论的开关磁阻发电机功率优化研究

5.1开关磁阻发电机功率控制目标函数

5.2 分子动理论基本知识

5.3 分子动理论优化算法(KMTOA)

5.4 分子动理论优化算法函数测试

5.5 SRG输出功率优化

5.6 分子动理论优化SRG输出功率优化控制仿真实现

5.7本章小结

第六章 SRG风电系统实验平台搭建及测试分析

6.1 系统硬件电路设计

6.2 系统控制软件设计

6.3 上位机设计

6.4 实验测试与分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作和成果

7.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果