低转速直驱式永磁同步风力发电机直接转矩控制性能优化

摘要

在能源危机日益严重的今天,新能源开发和利用已迫在眉睫。风能作为一种绿色能源取之不尽用之不竭,是未来最有前景的新能源之一。风能的有效利用依靠风机的精确设计以及控制系统的开发。早期的风电系统主要为恒速恒频系统,其风机设计简单,控制系统相对简化,随着技术的进步特别是电力电子技术的飞速发展,风电系统逐渐演变为变速恒频系统,风机转速可以跟踪风速变化,使风能的利用达到最优。变速恒风电频系统的配置方式又有很多种,不同的发电机配备相应的电力电子变流装置可以组成种类繁多特点各异的风力发电系统。在风速较低的情况下,风电机组控制主要体现在转速控制上。本文针对风力发电机转速控制问题展开分析:
　　首先介绍了本文的研究背景以及当前风力发电产业的发展状况,分析了几种常用的风力发电系统及其各自特点,对风力发电系统的控制系统进行了简要的介绍并重点分析了低于额定风速情况的风力发电机转速控制策略。
　　其次介绍了风力发电系统的结构以及组成,对组成风力发电系统的重要部分做了详细的阐述并建立了其数学模型,其中推导了永磁同步发电机的数学模型,并在静止坐标系下对其模型进行了推导,之后通过坐标系变换对其数学模型进行化简,达到易于控制的目的。同时对低于额定风速下的风机最大功率跟踪控制策略也进行了进一步的说明。
　　然后介绍了基本直接转矩控制的基本原理及其在永磁同步发电机上的具体应用,对其实现过程做了分析,通过仿真发现基本直接转矩控制存在转矩脉动较大、控制不精确等问题。为解决这些问题采用空间电压矢量调制(SVPWM)的方法对直接转矩控制进行优化,结果表明转矩脉动问题得到了明显改善,同时保持了较好的动态性能,最后针对系统运行过程中参数变化的问题设计了基于扩展卡尔曼滤波器的定子磁链观测器,使得系统具备更好的抗干扰能力和鲁棒性。最后结果显示优化系统能够跟踪快速变化的风速并保持良好的控制性能。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 风力发电概述

1.3 风力发电技术

1.4本文主要研究内容

第二章 直驱式永磁同步风力发电系统

2.1 系统组成

2.2 风力发电系统建模

2.3风力发电机组控制策略

2.4本章小结

第三章 基于直接转矩控制的风电机组变速控制研究

3.1 直接转矩控制方法介绍

3.2直接转矩控制基本原理

3.3直接转矩控制设计

3.4基于直接转矩控制的风机变速系统实现

3.5仿真分析

3.6本章小结

第四章 基于SVPWM的转矩磁链脉动抑制

4.1 SVPWM基本原理

4.2 SVPWM技术实现

4.3基于SVPWM优化的直接转矩控系统

4.4仿真验证

4.5本章小结

第五章 基于EKF磁链观测器的直接转矩控制优化

5.1 扩展卡尔曼滤波观测器

5.2 优化系统设计

5.3系统仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果