直驱永磁风力发电机组建模与控制策略研究

所需积分/C币:50 2019-03-27 16:28:02 6.43MB PDF
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宋雨倩,直驱永磁风力发电机组建模与控制策略研究,MATLAB建模与仿真
华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《直驱永磁风力发电机组建模与 控制策略研究》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名:民市 日期:203年2月}月 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《直驱永磁风力发电机组建模与控制策略研究》系本人在华北电力大学攻读硕 土学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学 所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学 关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和 电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于(请在以上相应方框内打“√”): 保密囗,在 年解密后适用本授权书 不保密团 作者签名字而 日期:23年3月2日 导师签名 日期:203年3月2日 华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前,直驱永磁同步风力发电机组是风力发电系统的主流机型,它凭借其显著 的技术优势得到了广泛应用。本文针对采用背靠背双PWM变流器结构的直驱永磁 同步风力发电机组进行了分析研究,主要内容有: 首先,对直驱永磁风力发电系统的基本理论进行了论述,提出了变桨距控制策 略和最大功率点跟踪控制策略,并基于 Matlab/ Simulink软件建立了风力机、永磁 同步发电机、杋侧变流器和网侧变流器的数学模型,通过仿真验证了模型的正确性。 其次,针对背靠背双PWM电杋侧变流器的理论原理,提出运用级联控制策略 来实现发电机有功功率和无功功率的解耦控制,并且根据最大风能捕获原理输出最 佳功率;而针对网侧逆变器,也同样采用级联的控制方法以实现对直流侧电压的控 制。在 Simulink中进行了仿真验证,仿真结果表明选择的控制方法是可行的 最后,进行了直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越技术的研究。给出了目前 发生电网故障时,直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越的控制方案,并基于 Matlab/Simulink软件模拟输电线路上的不同故障点发生三相对称接地故障,对在该 故障下的直驱永磁同步风力发电系统的动态性能进行了研究,提出利用并行模糊 PID控制器进行低电压穿越保护的控制策略,并仿真验证控制策略的可行性。仿真 结果表明:在电网电压发生短路故障时,并行模糊PID控制器方案能够有效抑制网 侧变流器的电流变化以及直流母线的电压波动,可以有效地提高永磁同步发电机组 的低电压穿越能力。 关键词:永磁同步发电机;建模;MPPT控制;低电压穿越; Matlab/ Simulink 华北电力大学硕:上学位论文 Abstract At present, the direct drive permanent magnet synchronous wind generating set is the mainstream of the wind power generation system model, it relies on its significant technical advantage to a wide range of applications. This article in view of the back-to-back double PWM converter structure of direct drive permanent magnet synchronous wind generating set, this paper analyzes the main contents are as follows First of all, this paper discusses the basic theory of direct drive permanent magnet wind power generation system, then puts forward the variable pitch control strategy and the maximum power point tracking control strategy, and establishes the wind machine, ermanent magnet synchronous generator, machine side converter and web side converter mathematical based on matlab/Simulink model and verify its effectiveness Secondly, in view of the back-to-back double PWM motor side converter theory principle, it puts forward cascade control strategy to achieve the generator active power and reactive power decoupling control according to the maximum wind energy capture principle output best power; And according to the network side inverter, also the cascade control method to realize the dc side voltage control. Simulation model is established in Simulink. the results show that the choice of control method is feasible Finally, this article has research the direct-drive permanent-magnet synchronous wind power generation system low voltage through technology. Given the current control plan of direct-drive permanent-magnet synchronous wind generating set when power grie failure happened and based on the Matlab/Simulink software to simulate the different way transmission line fault point happen three-phase symmetrical ground fault, the fault in the direct drive permanent magnet synchronous wind power system dynamic properties have been studied this paper puts forward the parallel fuzzy PID controller for low voltage protection through the control strategy, and simulation results prove the feasibility of the control strategy. The simulation results show that the power grid voltage short-circuit fault, parallel fuzzy PId controller scheme can effectively restrain the net side converter current changes and dc bus voltage fluctuation, can effectively improve the permanent magnet synchronous generator set low voltage across the ability. Keywords: Permanent Magnet Synchronous Generator; Modeling; MPPT control; Low voltage ride-through 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要. Abstract 第1章绪论 ····总由··,。···。·s·。。。。垂 11选题背景及意义 12直驱永磁风力发电系统研究现状 1.2.1最大功率点跟踪控制的研究 122低电压穿越的研究 13本论文的主要工作 第2章直驱永磁同步风力发电机组建模 21直驱永磁同步风力发电机组 22直驱永磁同步风力发电系统的数学模型 221风力机的特性系数及数学模型 222永磁同步发电机数学模型 12 22.3机侧变流器的数学模型 ·.。。··垂·看·看·····。·,;垂;。·香 2.24网侧变流器的数学模型 ··:········· 23本章小结 第3章直驱永磁同步风电机组控制策略. 甲··,·,。非音章 3.1变桨距控制 ·音···着·自音·非。。自看自音。. 3.2最大功率点跟踪(MPPT)控制 19 3.3机侧整流器的控制 20 34网侧逆变器的控制 21 3.5仿真验证 22 36本章小结 28 第4章直驱永磁同步风电机组低电压穿越的研究. 29 41低电压穿越技术 29 4.2电网电压跌落对直驱永磁同步风电机组的影响 30 43直驱永磁风力发电系统低电压穿越保护策略 32 43.1低电压穿越控制策略研究 33 4.3.2增加 Crowbar保护电路的方案. ,34 44对称电压跌落故障下低电压穿越的研究 36 华:电力大学倾上:学位论文 44.1控制策略 36 442仿真研究…. .36 4.5本章小结 44 第5章结论与展望. 245 参考文献 46 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 49 致谢 华北电力大学硕士学位论文 第1章绪论 1.1选题背景及意义 随着人类科技文明的飞速发展,能源是支撑人类文明的基础之一,也是当今世 界各国关注的焦点。对能源的划分方式有许多种,一般来讲,按照被利用过程中 科技水平的不同划分为常规能源和新型能源,按照获取方式不同,可划分为一次能 源和二次能源,比如核聚变能既是新型能源又是一次能源。按照目前常规能源的消 耗水平,煤炭可开采两百年,石油及天然气可开采只有六十年2。现在我们面临能 源消耗巨大、能源短缺问题的同时,还面临着环境保护问题。燃烧化石燃料产生的 大量二氧化碳排入大气,对地球大气层中气体成分比例造成了影响,进而导致全球 气候变化恶劣。现在人类已经非常清楚的认识到常规能源短缺带来的诸多问题,所 以我们急需找到几种或者大力发展目前几种可替代常规能源、能够持续发展并且对 我们生存环境破坏较小的新型能源。 由于全球人口的增长和人类文明现代化程度的提高,全球能源需求预计在21 世纪后半叶会增长一倍以上,而在22世纪末会增加两倍之多,只有提高引进替代 燃料的比例,未来能源需求才能得到满足。而现有能源网络的小幅度改进无法满足 这一能源增长需求。由于一次能源储量减少和人们对燃烧碳氢燃料对全球气候变化 影响的关注不断增长,已不可能像以前那样使用化石燃料。为未来寻找足够的清洁 可持续利用的新型能源是21世纪全球社会最令人敬畏的挑战之一。 目前主要被人们利用的新型能源分别为核能、风能、太阳能和生物质能。电能 是能量转换的终极形式,人类步入电气时代之初都是使用常规能源来产生电能,20 世纪后半叶,人类开始意识到常规能源的短缺和常规能源发电的弊端,并开始利用 新型能源来产生电能。 风能在世界上的蕴藏量巨大,全球风能资源总量约为274×109兆瓦,其中可 利用的风能为2×107兆瓦。风力发电的特点是对环境不造成污染、可以持续发展 利用,并且其技术手段日趋成熟,世界各国纷纷制定针对风力发电的法规法案,以 此来刺激本国风力发电市场的发展。在近几年,风力发电以25%的增长速度位居各 类新型能源发电之首,并且已经进入商业化运行模式 我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一(如表1-1所示),储量为32亿 千瓦,可开发的装机容量约25亿千瓦。中国的风电场主要以陆地风电场为主,陆 地风场的占地区域比较大,但发电设备占用土地面积并不大,不会影响到牧区或农 区的正常生产作业。 华北电力大学倾:|学位论文 表1-1我国可利用风能的分布情况 风能 风能较 风能可 风能 主要分布地区 丰高区丰富区 利用区欠缺区 东南沿海、山东和辽东半岛 风能密度 >200 150-200 50-150 (W/m2 <50沿海及其岛屿,内蒙古河甘 肃北部。松花江下游地区 3-20m/s风速年 沿海岸区、三北的北区地 >50004000-50002000-4000<200 积累小时数(h) 区、青滅高原中部和北部 6-20m/s风速年 两广沿海,大小兴安岭山 >22001500-2200500-1500 <350 积累小时数h) 地,三北中部 青藏高原、秦岭、大娄山、 8-20m/s风速年 1000500-1000 <50巫山、武夷山,雅鲁藏布江 积累小时数〔h) 河谷,塔里木盆地西部 就中国目前电力事业而言,国内绝大多数的电力来自燃煤电厂和燃油电厂,排 放着大量的温室气体,对我国承诺的降低碳排放量极为不利。大力发展风力发电项 目,不仅对调整我国电源结构非常有利,还可以减少污染气体的排放进而缓解全球 变暖的威胁。另外,大力发展风力发电,可以减少其他化石能源进口的压力,提高 我国在现在能源战争中的筹码和应对能力1。 我国进来几年制定了许多针对新型能源发电的政策和法规,例如《可再生能源 法》的制定和实施,促进了我国风力发电产业链的发展。近五年来,我国风电装机 容量每年都增加10%左右,并且提前3年达到“十一五”规划中的风力发电装机目 标。在2006年,我国成为发展风力发电的主要市场之一,囡内的累计装机容量达 到2600兆瓦;在2007年,中国风电产业规模持续之前的增长态势;在2008年实 现新增风电装机容量7190兆瓦,增长率超过100%,累计装机容量达到13000兆瓦; 在2009年,我国风电设备生产和风电场开发发展势头依然强劲,风力发电总装机 容量为25805.3兆瓦,跃居世界第二;2010年我国新增风电装机12904台,装机 容量达18.93GW。中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)统计结果表明, 自2009年后我国一直保持全球新增装机容量第一的排名;截至2011年底,我国 并网风力发电装机容量达到4505万千瓦,2006~2011年我国并网风力发电容量及 增速如图1-1所示。 风力发电是一个集空气动力学、电力电子、电气自动化、通信、计算机、结构 力学以及材料科学等综合性学科的技术。中国风能资源丰富,因此,风在中国有着 较为广阔的市场和发展前景,风能利用将为中国新能源结构调整,环保事业,减少 华北电力大学硕上学位论文 依赖进口能源做出重大的贡献。展望将来,随着我国风电整机制造成本的下降,化 石燃料的减少和对其开采的成本增加,将使风电具备市场竞争力。因此,中国风力 发电行业的发展前景非常广阔,预计在未来的很长一段时间都将保持高速发展,市 场前景远大。 ■风电并网装机谷景 同比增长 5000 109.8% 120.0% 102.9% 4505 4500 96.3% 99.8% H40 100.0 3500 80.0% 2958 68.1 图区 2500 60.0% 2000 40.0% 1500 1000 839 420 20.0% 500 207 0 200620072008200920102011年份 图1-12006~2011年我国并网风电容量及增速 1.2直驱永磁风力发电系统研究现状 20世纪90年代末以前,恒速风力机主导风力发电市场,且至今仍是商业运行 风力机的较大部分。近几年来,人们提出了变速风力发电机组(WTGS),迅速引 起了电网运营商的关注。变速风力发电机组采用电力电子换流器,将电网频率与实 时发电机转子旋转频率解耦,而旋转频率由瞬时风速与风力机控制系统决定。变速 运行优化了风力发电机组的性能,减小了机械载荷,同时提供了风电场有功功率控 制的不同选择方案。将电网频率与发电机转子频率解耦,使得转子具有飞轮的特性 (加速和减速),该特性使得风力发电机能更好地适应风速的波动,因此变速风力 机能平滑输出功率、电压和转矩的尖峰。目前,应用于变速风力发电机组的发电 机主要有双馈异步发电机(DFIG)和永磁同步发电机(PMSG)。 双馈异步发电机( Doubly- fed Induction Generator,简称DFIG是绕线式异步 发电机的一种,其定子绕组直接接入工频电网,与风力机、齿轮箱、感应发电机、 PWM变频器和直流侧电容器一起组成双馈式风力发电系统图,系统基本机构如图1-2 所示

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