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定桨距风力发电机在桨叶深失速区运行研究

南京航空航天大学学报 2010年第2期42卷 127-132页

作者：马运东王芳胡祖荣王俊琦赖日新邢岩南京航空航天大学自动化学院南京210016 南京工业职业技术学院电气与自动化系南京210046

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率。为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变... 详细信息

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率。为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变桨距变速风力发电机相媲美的功率特性。本文采用鲁棒P ID控制器设计转速控制系统,其动态响应特性符合设计要求。实验结果表明,定桨距变速风力发电机能够在设计风速范围内稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,依靠变速控制系统能够实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制。

关键词：风力发电定桨距风力机变速控制鲁棒控制器

定桨距变速非并网风力发电控制系统的研究与设计

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定桨距变速非并网风力发电控制系统的研究与设计

作者：王俊琦南京航空航天大学

学位级别：硕士

变速风力发电机组的转速能够随着风速的变化而变化,从而确保风力机具有较高的风能利用系数,提高了机组的运行效率。根据风力机气动功率调节方式的不同,可分为定桨距变速和变桨距变速两种不同的机组构成形式。后者拥有发电机转速以及风... 详细信息

变速风力发电机组的转速能够随着风速的变化而变化,从而确保风力机具有较高的风能利用系数,提高了机组的运行效率。根据风力机气动功率调节方式的不同,可分为定桨距变速和变桨距变速两种不同的机组构成形式。后者拥有发电机转速以及风力机桨叶节距角两套调节系统,因此能够获得良好的功率特性,在中大型风力发电场合得到了广泛的应用,但在中小型场合,如非并网风力发电系统中,其会大大增加机组的成本。定桨距变速机组在理论上可以获得同变桨距变速机组相同的功率特性,仅通过变速控制就能达到调节风力机功率的目的,相比而言,控制系统得以简化;另外定桨距风力机具有结构简单、可靠性高、成本低廉的优势,对其施加主动失速控制,能够使其同时拥有高效和低成本的特点,因此该机组非常适合应用于中小型风力发电系统中。本文以定桨距变速非并网风力发电系统为研究对象,以机组能量利用效率最优为目标,分别对基于不控整流拓扑和全控整流拓扑的定桨距变速风力发电机组转速控制系统进行设计。对于不控整流拓扑的机组,采取将后级变换器等效为发电机负载的设计思路,建立了机组的数学模型,由于其具有很强的非线性特性,故利用非线性反馈线性化控制的设计方法对机组转速控制器进行了设计,仿真结果表明采用该方法实现了机组在低风速区的最大功率跟踪的控制目标。对于基于全控整流拓扑的机组,首先就其在不同风速条件下的稳、动态特性进行了详细的分析,发现采取间接转速控制将会导致高风速区机组失稳,因此采取了综合控制策略,即:低风速区采用间接转速控制,高风速区采用直接转速控制。在具体实现上,利用PWM整流器对永磁同步发电机进行矢量控制,给出了详细的电流内环与转速外环控制器的设计,转速外环采用风力机气动转矩前馈的方式可以有效消除系统的内在不稳定性。最后通过仿真与硬件在环实验对机组变速控制系统的性能进行了验证,实验结果表明:定桨距变速风力发电机组能够在设计风速范围内稳定运行,机组完全依靠变速控制就能同时实现低风速区的最大功率跟踪和高风速区的恒功率控制,达到了预期的控制目标。

关键词：风力发电定桨距风力机永磁同步发电机变速控制系统设计反馈线性化

定桨距变速风力发电机组的控制技术研究及其仿真

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定桨距变速风力发电机组的控制技术研究及其仿真

作者：赖日新南京航空航天大学

学位级别：硕士

与恒速风力发电机组相比,变速风力发电机组能够在较大风速范围内实现最大功率跟踪,机组具有较高的年发电量。但传统的变桨距变速风力发电机组需要复杂的变桨距系统,这增加了机组成本,降低了可靠性。为此,本文重点研究了定桨距变速风力... 详细信息

与恒速风力发电机组相比,变速风力发电机组能够在较大风速范围内实现最大功率跟踪,机组具有较高的年发电量。但传统的变桨距变速风力发电机组需要复杂的变桨距系统,这增加了机组成本,降低了可靠性。为此,本文重点研究了定桨距变速风力发电机组的控制技术。该机组摒弃了复杂的变桨距系统,简化了结构,降低了成本,其变速控制系统能够同时实现机组在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而使得定桨距变速风力发电机组具有与变桨距变速风力发电机组相媲美的功率特性。为实现上述目标,本文首先研究了定桨距变速风力发电机组的基本控制策略,阐述了不同风速条件下风力机的运行状态,得到了在整个运行风速范围内机组期望转速与风速的关系。然后详细研究了基于永磁同步发电机的定桨距变速风力发电机组的动态特性,建立了系统的小信号线性化模型,并分析系统的稳定性。考虑到机组在其运行风速范围内的工作点是大范围变化的特点,本文采用鲁棒PID控制器设计了机组的转速控制系统。分析结果表明该转速控制系统在机组工作点大范围变化的情况下仍具有良好的鲁棒性,其动态响应特性符合设计要求。最后在阐述机组并网控制技术的基础上,本文搭建了定桨距变速风力发电机组并网发电系统的仿真模型,通过仿真验证了机组的控制系统性能。仿真结果表明定桨距变速风力发电机组能够在整个运行风速范围里稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,机组完全依靠变速控制系统就能同时实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制。

关键词：定桨距风力机永磁同步发电机变速控制鲁棒控制器并网控制系统仿真

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定桨距变速风力发电机组的变速控制技术研究

定桨距变速风力发电机组的变速控制技术研究

作者：胡祖荣南京航空航天大学

学位级别：硕士

定桨距失速型风力发电机组因其结构简单、性能可靠、无须复杂的变桨距控制系统,而广泛应用于中小型风力发电系统中;但由于风力机恒速运行,风能利用率比较低。虽然传统的变桨距变速风力发电机组具有较高的风能利用率,但由于采用了复杂的... 详细信息

定桨距失速型风力发电机组因其结构简单、性能可靠、无须复杂的变桨距控制系统,而广泛应用于中小型风力发电系统中;但由于风力机恒速运行,风能利用率比较低。虽然传统的变桨距变速风力发电机组具有较高的风能利用率,但由于采用了复杂的变桨距执行机构以及变桨距控制器,这增加了制造和维护成本,也对系统的可靠性提出了更高要求。为此,本文重点研究了定桨距变速风力发电机组的控制技术。该机组摒弃了复杂的变桨距系统,简化了结构,降低了成本,其变速控制系统能够同时实现低风速区的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风力发电机组能够达到变桨距变速风力发电机组的功率特性。为实现上述目标,本文首先研究了定桨距变速风力发电机组在不同风速条件下风力机的运行状态,得到了在整个运行风速范围内机组期望转速与风速的关系。然后详细研究了基于永磁同步发电机的定桨距变速机组的动态特性,建立了系统的小信号控制模型,分析了其稳定性。由于气动转矩与转速、风速间的非线性关系影响,在高风速区,定桨距变速风力机的转速控制系统已变成一个不稳定的非线性系统。于是,本文提出采用两种控制策略:扰动观测器和内模PID控制完成了机组转速控制系统设计。最后通过实验验证了机组变速控制系统性能。实验结果表明:定桨距变速风力发电机组能够在设计风速范围内稳定运行,机组完全依靠变速控制就能同时实现低风速区的最大功率跟踪控制和高风速区的恒功率控制。

关键词：风力发电定桨距风力机永磁同步发电机变速控制硬件在环 RT-LAB

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直驱式永磁风力发电模拟系统设计与实现

直驱式永磁风力发电模拟系统设计与实现

作者：肖昌允中国计量学院

学位级别：硕士

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、... 详细信息

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。

关键词：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