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变速恒频风力发电系统最大风能追踪研究

作　者: 兰宏光
导　师: 张凤
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 风力机 变速恒频 最大风能追踪 On-Off控制 滑模变结构控制
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着石油、煤炭、天然气等传统燃料的枯竭及其燃烧对环境造成的严重污染,作为可再生的绿色能源,风能的开发与利用对人们的生活具有十分重要的意义。目前,随着各种风力发电技术的快速发展,变速恒频(VSCF, Variable Speed Constant Frequency)风力发电技术因其高效性和实用性越来越多的受到广泛的关注,成为风力发电领域研究的热点。本文首先总结了风力发电的发展趋势以及风力发电技术在国内外研究现状。在变速恒频风力发电基本原理的基础上,分析最大风能追踪的运行原理和运行区域,建立风力发电机组空气动力学模型和传动系统模型。其次,根据鼠笼式异步电机(SCIG, Squirrel Cage Induction Generator)的基本原理,建立了SCIG在两相同步旋转坐标系下的数学模型,通过进行SCIG的坐标变换,分析运行特性及功率关系的基础上采用在转子磁场定向条件下鼠笼式异步电机矢量控制方法。然后,在风力机特性的基础上,依据最佳叶尖速比与实际叶尖速比的误差为输入,期望电磁转矩为输出设计了On-Off控制器,并提出了基于On-Off控制的最大风能追踪方法。On-Off控制的结构简单,不依赖于系统模型,能较快的对风速变化做出反应。又根据滑模变结构控制原理,设计了滑动平面和滑模控制率,提出了基于滑模变结构控制的最大风能追踪方法。该方法不需要检测风速,实现简单,动态性能和鲁棒性较好。最后,应用Matlab/Simulink仿真软件,建立了风力机仿真模型、发电机仿真模型,通过对基于On-Off控制下的最大风能追踪和基于滑模变结构控制下的最大风能追踪进行仿真研究,并将仿真的结果进行对比分析,仿真结果表明,两种追踪方法均可较好的实现最大风能追踪问题。基于On-Off控制的风机系统结构简单,容易实现,但是在暂态性能上要弱于滑模控制,而基于滑模控制的最大风能追踪方法能较好的稳定叶尖速比,使风能利用系数达到最大值,能较迅速的实现最大风能追踪,但是滑模控制的实现较为困难,得出的仿真结果验证了本文理论研究的正确性和有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 风力发电系统  12-17
    1.2.1 风力发电技术  14-15
    1.2.2 变速恒频风力发电系统  15-17
  1.3 风力发电控制技术概述  17-20
    1.3.1 风力发电系统的控制目标  17-18
    1.3.2 风力发电系统控制方法  18-19
    1.3.3 最大风能跟踪控制策略  19-20
  1.4 本文的主要研究内容和章节安排  20-23
    1.4.1 本文的主要研究内容  20
    1.4.2 本文的章节安排  20-23
第二章 建立风力发电系统模型  23-37
  2.1 引言  23-24
  2.2 最大风能追踪原理  24-27
    2.2.1 最大风能追踪基本原理  24-26
    2.2.2 最大风能追踪运行区域  26-27
  2.3 建立传动系统模型  27-29
  2.4 建立异步电机数学模型  29-36
    2.4.1 异步电机数学模型  29-34
    2.4.2 异步电机的矢量控制策略  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第三章 基于On-Off控制的最大风能追踪研究  37-43
  3.1 引言  37
  3.2 On-Off控制方法研究  37-38
  3.3 基于On-Off控制的最大风能追踪  38-41
  3.4 本章小结  41-43
第四章 基于滑模变结构控制的最大风能追踪研究  43-51
  4.1 滑模变结构控制理论  43-44
  4.2 滑模变结构控制方法  44-46
  4.3 基于滑模变结构控制的最大风能追踪  46-50
    4.3.1 设计滑动平面  46-47
    4.3.2 设计滑模控制率  47-49
    4.3.3 系统稳定性分析  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 风力发电系统最大风能追踪仿真研究  51-65
  5.1 仿真环境概述  51
  5.2 建立风力发电系统仿真模型  51-53
    5.2.1 风力机的仿真模型  51-52
    5.2.2 传动系统仿真模型  52
    5.2.3 鼠笼式电机系统仿真模型  52-53
  5.3 建立控制系统仿真模型  53-55
    5.3.1 On-Off控制系统仿真模型  53-54
    5.3.2 滑模变结构控制系统仿真模型  54-55
  5.4 控制系统仿真分析  55-63
    5.4.1 基于On-Off控制系统风力机仿真分析  55-56
    5.4.2 基于滑模变结构控制系统风力机仿真分析  56-58
    5.4.3 基于On-Off控制系统风力发电机仿真分析  58-60
    5.4.4 基于滑模变结构控制系统风力发电机仿真分析  60-62
    5.4.5 仿真结果对比分析  62-63
  5.5 本章小结  63-65
第六章 结论  65-67
参考文献  67-71
作者简介  71
作者攻读硕士学位期间发表的学术论文  71-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 发电、发电厂 > 各种发电 > 风能发电
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