风力发电系统风力机输出特性的模拟与控制

摘要

风能作为一种可再生能源，是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境有重要作用，受到世界各国的重视，也是我国在“十一五”期间新能源开发利用的重点产业。在风力发电技术中，由于存在天气、环境、费用等诸多不利因素，不易进行现场试验，非常有必要在实验室构造风力发电技术的模拟仿真平台，以提供必要的研究手段。风力发电系统利用了风力机叶片将风能的动能转换为机械能，本文主要进行风力机风轮的转速、转矩特性模拟仿真研究，对提高风能利用率、后续机械能到电能转变提供实验条件，具有重要意义。 本文提出了一种利用异步电动机直接转矩控制模拟实际风力机输出特性的方案，利用此模拟装置可以在实验室内带动发电机进行风电技术的研究。论文在分析了多种风速模型的优缺点之后，建立了组合式风速模型并进行了仿真，通过与实测风速数据曲线的对比，验证了所建风速模型的正确性与可行性。分析了风力机的空气动力学特性，建立了风力机的仿真模型，通过仿真实现了给定风速下风力机输出转矩和功率的特性模拟。在此基础上设计了风力机输出特性的模拟仿真系统，采用异步电动机作为原动机，利用直接转矩控制技术，通过逆变器对电压的控制来实现给定风速下异步电动机能够输出与实际风轮相同的转速、转矩和功率特性。在异步电动机直接转矩控制中，对定子磁链进行了优化，并提出一种转矩脉动最小化方法，利用占空比控制技术对开关状态矢量进行优化，大大减小转矩脉动。分析了最大功率点追踪(MPPT)原理，在传统MPPT控制算法的基础上提出一种最大功率点追踪控制算法，力求快速跟踪风速的变化，获取最大效率。风力机输出特性

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第一章绪论

1.1发展风能的重要意义与前景

1.2风力机输出特性模拟的必要性

1.3风力机输出特性模拟的研究现状

1.4本文的主要研究内容

第二章风速模型的建立与仿真

2.1引言

2.2常用风速数学模型

2.2.1早期的风速模型

2.2.2双参数Weibull分布

2.2.3四参数混合模型

2.2.4自回归滑动平均方法(ARMA)

2.3风速模型的建立与仿真

2.3.1四种风速成分的数学模型及仿真图形

2.3.2组合式风速数学模型对实际风的模拟

2.4本章小结

第三章风力机数学模型建立及功率特性仿真

3.1风力机数学模型

3.2风力机仿真模型及输出特性

3.3本章小结

第四章风力机输出特性模拟的仿真研究

4.1风力机模拟原理

4.2异步电机直接转矩控制理论

4.2.1三相电压型逆变器和电压空间矢量

4.2.2空间电压矢量对电动机定子磁链、转矩的作用

4.2.3异步电机直接转矩控制的基本组成及原理图

4.3本文风力机模拟设计

4.4异步电动机定子磁链观测模型

4.5基于S函数的转矩调节器

4.6磁链区域判断及电压开关矢量表

4.7转矩脉动最小化方案

4.8风力机输出特性仿真

4.9本章小结

第五章功率调节及最大风能跟踪

5.1风力机气动功率调节方式

5.2风电机组控制方式

5.3最大风能跟踪

5.3.1最大风能跟踪原理

5.3.2传统最大风能捕获方法

5.3.3一种新的MPPT控制方法

5.3.4最大风能跟踪仿真与分析

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

附录

致谢