变速恒频风力发电机组建模、仿真及其协调优化控制

题名:变速恒频风力发电机组建模、仿真及其协调优化控制
作者:范晓旭
学位授予单位:华北电力大学（北京）
关键词:双馈风力发电机;;空间矢量理论;;变流器;;协调优化控制;;实验平台
摘要:
 风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式,近年来在世界范围内获得了飞速的发展,
其中变速恒频风力发电技术以其独特的优势,成为风电研究领域的主流。本文以国家自然科学基金
项目(50677021)—大型变速风力发电混杂系统全工况优化运行控制策略研究”、教育部重点项目
(105049)—大型风力发电机组先进Rare earth magnets控制相关技术研究和华北电力大学211工程三期重点建设项目—
风力发电物理实验平台及软件仿真机的研制为依托,重点对变速恒频风力发电机组的风轮、发电机
、变流器、传动链四大组成部分的建模与控制进行了研究,论文主要内容及研究成果如下：

(1)运用叶素理论、涡流理论修正风速及权系数分配叶素的改进方法,建立了变桨距风力机机理模
型,考虑到风剪和塔影效应对风力机模型进行了进一步修正,得到的新风力机模型不仅具有桨叶翼
型适应性,而且提高了建模精度,更加符合实际情况。
 (2)分析了双馈风力发电机的工作原理、等
值电路及稳态相量图。在此http://www.chinamagnets.biz/faq.php基础上,运用空间矢量理论建立了其空间矢量模型,分析了双馈风力发
电机不同运行状态下定转子磁动势空间矢量的相位关系,揭示了其交流励磁的电磁本质。
 (3)详
细分析了变速恒频双馈风力发电机组的运行区域和控制目标,重点阐述了并网控制、最大风能追踪
控制和变桨距控制的原理及方法。给出了机组的仿真模型,并对其主要工况运行过程进行了仿真研
究,得到了相应的运行曲线,为风力发电软件仿真机奠定了基础。
 (4)建立了双馈风力发电
机变流器高频混杂模型,运用混杂自动机理论对变流器的PWM调制过程进行了分析,得到了状态变迁
集、不变集等重要集合,为利用混杂系统理论分析电力电子线路提供了新思路。针对网侧变流器的
控制,提出了一种基于转子电流空间矢量模值变化率(dAir/dt)的模糊自整定PID改进控制策略,仿
真结果表明,该控制策略提高了变流器直流母线电压的鲁棒性。
 (5)以最小化稳态工作点
附近的波动为优化目标,综合Kalman滤波器、状态反馈、最优控制等方法,设计了一种基于有效风
速观测器的自适应增益调度LQG最优控制策略。经仿真实验证明,该控制策略不仅解决了风轮扫略
面三维风速场有效风速观测问题,而且实现了风轮、传动链、发电机、变桨距等多系统协调优化控
制,减小了传动链载荷,平滑了输出功率。
 (6)搭建了一套风力发电物理实验平台,给出了具体
的软硬件设计方案,并且已经初步实现了风力机特性模拟功能,为开展变速恒频发电实验奠定了基
础。
学位年度:2010