无刷同步风力发电机偏航变浆控制系统研究

摘要

能源危机和气候问题日益严重，世界各国加紧开发利用新能源。由于风能蕴量巨大，绿色无污染，风力发电成本低，规模效益显著，因此得到了快速发展，涌现出了多种风力机型。目前，商用大型风力机以水平轴、三叶片、变桨距、上风向（可偏航）机型最为广泛，这种风力机为了最大限度捕获风能，采用变桨距调节使桨叶围绕根部的轴旋转以适应不同的风况，同时采用偏航调节使机舱围绕塔架旋转以跟踪风向，偏航和变桨是大型风力机的两项关键技术。本文围绕偏航和变桨做了以下工作：
　　 首先，针对风力发电机变桨与偏航控制策略，查阅了国内外大量文献，学习了风力机的类别、结构、特性、变桨与偏航等知识，了解了风力机从原理、设计、实验、控制流程、建模、仿真一系列由浅入深的研究过程。同时，简单分析了国内外风电发展的现状及我国风电发展所存在的问题。重点针对变速恒频风力发电技术，研究了异步双馈、同步风力机及低速永磁（直驱）风力机三种典型结构，比较了各自系统的优缺点。
　　 第二，以陕西科技大学山东长星风力发电实验室850kW风电项目为基础，分别研究了同步无刷风力发电机组的原理、结构、励磁方式、控制系统等。同时，对无刷同步发电机的结构和模型做了充分了解，在此基础上，建立了风轮、传动系统、发电机、励磁机、旋转整流器等部分的状态方程，在Matlab sinmulink中搭建了状态方程模型，并利用Sim Power System工具箱搭建了风力机电路部分的拓扑模型，实现了状态方程和电路拓扑的混合建模，为控制系统及控制器设计、仿真做了充分准备。重点工作是同步无刷发电机的建模，本文根据电磁式同步无刷发电机的自身结构，从同步发电机基本原理入手，分步骤创建了同步无刷发电机的模型。
　　 第三，对变桨距系统的控制策略进行了研究。根据同步无刷风力发电机的simulink模型，研究了额定风速以下时风轮的最大风能捕获，所做的工作为：用Matlab仿真了风能利用系数，结合仿真推理了变速风力机最大风能追踪原理及发电机转速控制策略。同时，针对额定风速以上时风力机的变桨距、恒功率调节的特点，提出了无模型(MFC)变桨距控制方案，搭建了变桨距控制系统的仿真模型，并使用850kW同步无刷风力机组参数进行了仿真。最后，提出了三叶片独立控制的电动变桨距伺服系统，设计了单神经元PID变桨距控制器。
　　 最后，总结了同步无刷风力发电机组高速同步、旋转无刷励磁、全功率逆变的三个特点，介绍了有关大型风电机组偏航控制系统的内容。