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变速恒频风力发电机组控制策略研究

作　者: 林宇
导　师: 郑黎明
学　校: 汕头大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 变速恒频 Hybrid SVPWM DFIG 高阶滑模控制风电机组控制
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

风能作为绿色能源受到人们越来越多的关注,随着风力发电技术的迅速发展,变速恒频风力发电技术也逐渐得到广泛的应用。本文在基本理论研究和计算机仿真的基础上,对电力电子变流技术和风力发电机组的控制策略进行了介绍和深入研究,其主要内容包括以下几方面:本文首先介绍了空气动力学的基本理论,分析了双馈发电机基本工作原理与特性,并详细推导了不同坐标系下的数学模型,总结概括了变速恒频双馈发电机组控制的基本策略和实现方法。其次,介绍了空间矢量脉宽调制的基本原理、数学模型以及波形的调制方法。对传统扇区进行了重新划分,并提出了一种新型的混合空间矢量脉宽调制方法。通过对不同换向序列下磁链均方根脉动大小的对比研究,对扇区进行了划分,每个区域采用不同的换向序列,从而极大地减小了磁链的脉动。再而,讨论了滑模变结构基本控制原理,并将滑模变结构控制运用于双馈风力发电系统。在MATLAB/SIMULINK平台中搭建了基于定子电压矢量控制的双馈发电机系统控制仿真模型。在传统二阶超螺旋滑模算法的基础上,引入积分滑模面,并在控制端增加了比例环节补偿项。仿真结果表明该方法可很好地实现控制目标,具有很强的鲁棒性。最后,研究完成了Bladed的变速恒频风力发电机组控制器设计,对发电机组运行的工作区域进行划分,并研究各区域的主要控制策略。详细介绍外部控制器的设计方法,并在此基础上对PID算法、一阶滑模算法、二阶超螺旋算法等控制策略进行了仿真对比。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究背景  8-13
    1.1.1 风能发展现状  8-12
    1.1.2 风力发电技术概况  12-13
  1.2 论文的研究意义和主要内容  13-15
    1.2.1 论文的研究意义  13-14
    1.2.2 论文的主要内容  14-15
第二章风力发电机组基本知识与数学建模  15-29
  2.1 空气动力学理论  15-18
    2.1.1 风能的计算  15-16
    2.1.2 风能利用系数  16-18
  2.2 双馈型异步发电机的数学模型  18-24
    2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型  18-20
    2.2.2 坐标系变换数学模型  20-22
    2.2.3 两相同步速旋转坐标系下的数学模型  22-23
    2.2.4 双馈异步发电机工作原理及能量流动  23-24
  2.3 双馈发电机控制  24-28
    2.3.1 矢量控制  24-26
    2.3.2 直接转矩控制  26-27
    2.3.3 直接功率控制  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章新型 Hybrid SVPWM 的分析与研究  29-40
  3.1 空间电压矢量脉宽调制  29-32
    3.1.1 SVPWM 基本原理  29-30
    3.1.2 三相逆变器的数学模型  30-31
    3.1.3 空间电压矢量算法  31-32
  3.2 新型的混合空间电压矢量脉宽调制  32-39
    3.2.1 死区效应分析  32-33
    3.2.2 新型 Hybrid SVPWM 原理  33-34
    3.2.3 磁链均方根脉动  34-37
    3.2.4 各换向序列区域划分  37-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章双馈风力发电机组的高阶滑模控制  40-55
  4.1 滑模变结构控制基本理论  40-42
    4.1.1 滑模变机构控制基本原理  40-41
    4.1.2 滑动模态的存在和到达条件  41-42
  4.2 滑模变结构控制设计  42-46
    4.2.1 等效控制  42-43
    4.2.2 滑模控制器基本设计方法  43-44
    4.2.3 基于趋近率的滑模控制  44
    4.2.4 滑模控制系统的抖振问题  44-46
  4.3 高阶滑模变结构控制理论  46-48
    4.3.1 高阶滑模基本概念  46-47
    4.3.2 二阶滑模控制  47-48
  4.4 双馈风力发电机组的高阶滑模控制  48-54
    4.4.1 双馈风力发电系统模型  48-50
    4.4.2 高阶滑模控制器的设计  50-52
    4.4.3 高阶滑模控制器的仿真  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章 Bladed 的风电机组控制器设计研究  55-79
  5.1 变速恒频风电机组的特性分析  55-59
    5.1.1 变速恒频风电机组  55
    5.1.2 风力发电机组的基本控制策略  55-57
    5.1.3 最大功率捕获的控制方法  57
    5.1.4 风电机组振动模态分析  57-59
  5.2 风力发电机组控制算法的实现  59-72
    5.2.1 基于bladed 的仿真  59-60
    5.2.2 控制系统设计  60-65
    5.2.3 PID 控制器  65-66
    5.2.4 PID 桨距控制器设计  66-72
  5.3 外部控制器的设计  72-78
    5.3.1 用户自定义控制器  72-74
    5.3.2 外部控制器仿真设计  74-78
  5.4 本章小结  78-79
第六章全文总结与展望  79-81
  6.1 工作总结  79
  6.2 研究展望  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
个人简历  86

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