直驱式永磁风力发电模拟系统设计与实现

作     者：肖昌允 

作者单位：中国计量学院 

学位级别：硕士

导师姓名：卫东

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：直驱式永磁风力发电系统 定桨距风力机 最大功率跟踪 全风速功率控制 动态过载抑制 

摘      要：直驱式永磁风力发电系统因具有能量转换效率高、可靠性高、抗电网干扰能力强等特点，近年来受到了广泛的关注。同时根据风力机功率调节方式不同，机组可分为定桨距调节和变桨距调节两种不同的结构形式。定桨距恒速型机组因其可靠性高、成本低廉广泛应用于中小型风力发电系统中，但是由于风力机恒速运行，风能利用率低。变桨距风力发电机组具有较高的风能利用率，但是采用变桨距机构调节会增加机组制造和维护成本，同时降低可靠性。为此本文着重研究定桨距变速永磁风力发电系统的控制技术。该类型机组不采用复杂的变桨距调节机构，成本相对较低，同时利用变速控制能够实现在低风速区最大功率跟踪控制和高风速区的恒功率控制，从而使得定桨距变速功率调节达到变桨距功率调节相媲美的功率特性。 以直驱式风力发电机组为研究对象，系统结构由风力机、永磁同步发电机、不控整流变换器、Boost变换器、电压源逆变器组成，给出系统中各环节的数学模型，给出风力机各个参数对其输出的影响，利用实验方法建立了永磁同步发电机发电效率模型，为后续的控制研究提供了精确的基础。同时，建立了网侧PWM变换器等效恒压阻性负载模型，简化了电机侧控制模型，方便后续研究。 分析了最大功率跟踪原理，讨论了当前主流的两种最大功率跟踪控制方法：功率反馈法和扰动法，并总结上述方法的各自的优缺点。针对本文研究的拓扑结构，根据传统的最大功率跟踪方法存在的缺点，提出了最大功率跟踪的新策略。该方法根据风力发电的系统特性，对电磁转矩的控制具有针对性，因此具有令人满意的稳、动态特性。 最后针对变速定桨直驱式风力发电机组，提出一种简单有效的全风速功率控制策略，可实现在全风速范围内的最大功率点跟踪、恒转速以及恒功率合理控制。仿真结果可以看出，全风速控制策略能使风力发电机组在全风速下高效、稳定的运行。但是在额定风速以上，仍然存在瞬间过载的问题，提出软失速控制策略，对其瞬间过载进行抑制，结果看出该方法具有较高的工程使用价值。