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直驱永磁风电—燃料电池混合系统建模及功率平滑控制

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 18:37:03
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直驱永磁风电—燃料电池混合系统建模及功率平滑控制【摘要】:全球正面临着能源危机、环境污染和气候变化的压力,应用新能源发电随之成为电力工业发展的时代课题。本文选择风力发电系统中最具有

【摘要】:全球正面临着能源危机、环境污染和气候变化的压力,应用新能源发电随之成为电力工业发展的时代课题。本文选择风力发电系统中最具有发展前景的直驱永磁风力发电系统DDPGWPS(Direct Drive Permanent Magnet Wind Power System)和燃料电池中最具有商业前景的固体氧化物燃料电池SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)作为研究对象。构建了DDPGWPS与SOFC混合发电系统,提出了全风况下按给定功率输出的控制策略,研究了利用SOFC平滑DDPGWPS在全风况下按给定功率输出的功率波动并给出了仿真波形,最后,构建了孤岛中风-氢混合发电系统并进行了功率控制的比较研究。整个研究工作为未来分布式发电系统中新能源的功率控制提供了理论参考。 首先,基于二质量块-轴数学模型构建了一个包含风速模型、功率转换模型、传动链模型等三个部分的10MW变速直驱型风涡轮机组的标么值MATLAB动态模型。作为风力发电系统的原动力模型,该模型有助于进一步仿真研究变速DDPGWPS的功率特性和并网发电控制技术。 建立了直驱永磁风力发电机DDPMWG (Direct Drive Permanent Magnet Wind Generator)的电气数学模型和空间状态d-q控制模型,仿真确定了一个10兆瓦DDPMWG的电气参数。在恒定风速下,研究了用BOOST-CHOPPER电路控制永磁发电机转速和输出功率的控制原理及控制参数的整定。构建了使用PWM桥式整流电路控制DDPMWG转速和功率的解耦控制的数学模型及控制电路,提出了一种基于三环P1控制环对有功功率进行控制的控制电路,外环为功率控制环,中环为转速控制环,内环为电流控制环。与传统的两环PI控制电路相比较,这种控制方法直接利用了DDPMWG的功率与转速之间良好的线性关系进行控制,因而具有更好的控制性能且更容易实现稳健的控制策略。仿真分析表明,具有三环PI控制环的PWM整流控制电路比BOOST-CHOPPER控制电路具有更快的控制响应速度、更高的DDPMWG电磁利用率以及更好的定子电流正弦波特性。 构建了PWM逆变器解耦控制的数学模型及仿真控制电路,仿真分析了并网发电的两种功率控制方式。基于前面的研究及参数的设定,构建了10兆瓦DDPGWPS,在此基础上提出了一种全风况下、基于三环PI控制、按任意给定功率控制的智能稳健控制策略。利用这种策略,能实现当风功率达到了给定功率的时候,按给定功率控制输出,而当风功率达不到给定功率的时候,限定转速在最大风功率所对应的转速上,从而实现最大风功率的追踪,同时,还能防止出现功率失控的状态。提出了一种快速、简单,高效的最大风功率追踪方法,用这种方法改善了按给定功率控制策略中的最大功率追踪方法,在不降低其追踪速度的前提下,提高了其追踪的准确度。进一步提出了一种高于额定风速时,利用DDPMWG的大惯性平滑给定输出功率波动的新颖改进控制策略。仿真验证了上述控制策略的正确性。 在考虑浓差极化电压和活性极化电压的基础上,建立了SOFC的集总数学模型,给出了其稳态电压电流特性的MATLAB仿真。基于滞回比较的方法建立了SOFC并网输出功率的控制电路,仿真了其动态负荷跟踪特性。由于风速的随机性,间歇性造成DDPGWPS输出功率在风功率不足时,出现向下凹的波动,提出了一种实时功率互补的控制策略,利用SOFC多模块组合形成的充足的电功率和快速的负荷跟随特性平滑DDPGWPS输出功率波动并给出了仿真波形。 提出了一种用于小孤岛的风-氢混合发电系统,这种系统通过使用电解水制氢储能装置、燃料电池、风力发电机组和柴油机发电机组,采用交流连接的方式,能给小孤岛中的负荷提供较高质量的绿色电能,同时,电解水制氢储能装置所产生的氢气,被用来做为燃料电池的燃料,使风能能得到充分的利用。通过仿真,比较分析了该系统的功率平滑控制特性。 【关键词】:风力发电机组 BOOST-CHOPPER电路 PWM整流 固体氧化物燃料电池 集总建模 功率平滑 风-氢混合功率系统
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM61
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 插图索引13-17
  • 插表索引17-18
  • 第1章 绪论18-32
  • 1.1 论文的研究背景18-21
  • 1.1.1 产业背景:世界风电产业发展概况18-19
  • 1.1.2 技术背景:世界风力发电技术的发展趋势19-21
  • 1.2 风力发电技术的研究现状21-24
  • 1.2.1 恒速恒频风力发电系统21
  • 1.2.2 变速恒频风力发电系统21-24
  • 1.3 直驱永磁同步风电系统及并网发电技术的国内外研究现状24-27
  • 1.3.1 直驱永磁发电系统变流器常见柘朴结构24-26
  • 1.3.2 直驱永磁风力发电系统并网控制技术及研究现状26-27
  • 1.4 固体氧化物燃料电池的建模及并网控制技术的研究现状27-29
  • 1.4.1 固体氧化物燃料电池建模的发展状况27-28
  • 1.4.2 固体氧化物燃料电池并网控制系统的研究现状28-29
  • 1.5 论文的选题意义29-30
  • 1.6 本文的主要研究内容和成果30-32
  • 第2章 风涡轮机组的建模及MATLAB仿真32-45
  • 2.1 风速模型32-33
  • 2.2 风涡轮机组功率转换模型及仿真分析33-38
  • 2.2.1 功率转换模型的建立33-36
  • 2.2.2 风涡轮功率转换特性的仿真分析36-38
  • 2.2.3 风涡轮机组发电的四个运行区域38
  • 2.3 传动链模型38-42
  • 2.4 变速直驱型风涡轮机组模型的构成及仿真分析42-44
  • 2.4.1 结构组成及参数设置42-43
  • 2.4.2 电磁阻力矩控制风涡轮机组转速的动态特性的仿真分析43-44
  • 2.4.3 桨距角控制风涡轮机组转速、功率的仿真分析44
  • 2.5 本章小结44-45
  • 第3章 DDPMWG功率控制特性的研究45-76
  • 3.1 直驱永磁同步发电机的电气建模及参数确定46-54
  • 3.1.1 三相定子固定参考系中的PMSG数学模型46-48
  • 3.1.2 d-q-0轴旋转参考系中的数学模型48-50
  • 3.1.3 状态空间模型50
  • 3.1.4 10兆瓦DDPMWG电气参数的确定50-52
  • 3.1.5 10兆瓦DDPMWG的MATLAB仿真分析52-54
  • 3.2 不可控桥式整流及BOOST-CHOPPER电路54-63
  • 3.2.1 不可控桥式整流电路的工作原理54-55
  • 3.2.2 BOOST-CHOPPER电路的工作原理55-57
  • 3.2.3 电路参数确定及控制过程分析57-58
  • 3.2.4 控制DDPMWG转速的仿真分析58-61
  • 3.2.5 直接控制DDPMWG功率的仿真分析61-63
  • 3.3 PWM桥式可控整流电路控制DDPMWG功率特性的研究63-74
  • 3.3.1 时域离散开关函数模型63-64
  • 3.3.2 d-q模型的建立及控制系统的设计64-66
  • 3.3.3 MATLAB控制模块的建立及参数的确定66-69
  • 3.3.4 转速控制的仿真分析69-71
  • 3.3.5 基于三环PI控制的功率控制电路及仿真分析71-74
  • 3.4 本章小结74-76
  • 第4章 DDPMWPS并网功率控制技术的研究76-99
  • 4.1 PWM逆变器并网控制电路的研究76-85
  • 4.1.1 PWM逆变器并网控制电路的数学模型76-78
  • 4.1.2 MATLAB控制模型的建立78-81
  • 4.1.3 仿真参数的设置81-82
  • 4.1.4 PWM逆变器的两种功率控制方式的仿真分析82-85
  • 4.2 DDPMWPS并网发电按给定功率控制的研究85-93
  • 4.2.1 全风况下按给定功率控制策略的研究85-89
  • 4.2.2 恒风速下DDPMWPS按给定功率控制的仿真分析89-91
  • 4.2.3 全风况下DDPMWPS按给定功率控制的仿真分析91-93
  • 4.3 DDPMWPS最大功率追踪控制策略的研究93-95
  • 4.3.1 最大功率追踪控制策略的综述93-94
  • 4.3.2 一种快速、简单、高效的最大功率追踪控制策略94-95
  • 4.3.3 改进了最大风功率追踪的按给定功率控制输出控制策略95
  • 4.4 一种新颖的平滑强风下输出功率的控制策略95-97
  • 4.4.1 平滑强风下输出功率的控制策略的工作原理95-96
  • 4.4.2 两种控制策略的切换96-97
  • 4.4.3 仿真结果97
  • 4.5 本章小结97-99
  • 第5章 DDPMWPS与SOFC混合建模及功率平滑控制99-117
  • 5.1 固体氧化物燃料电池的工作原理99-101
  • 5.1.1 发电的工作原理及化学方程式99-100
  • 5.1.2 单个电池中电压的形成100-101
  • 5.2 SOFC发电的动态过程分析101-104
  • 5.2.1 气体摩尔流量的计算101-103
  • 5.2.2 集总电池中气体分压的计算103
  • 5.2.3 化学反应的动态过程103-104
  • 5.2.4 极化电压的简化104
  • 5.3 SOFC电池集总模型的建立及电压电流特性的分析104-108
  • 5.3.1 SOFC电池集总模型的建立104-106
  • 5.3.2 稳态电压电流特性的分析106-108
  • 5.4 SOFC并网功率控制技术的研究108-111
  • 5.4.1 并网功率控制电路的设计108-109
  • 5.4.2 SOFC并网发电负荷跟随特性的仿真分析109-111
  • 5.5 DDPMWPS与SOFC混合系统的构建及功率平滑控制111-116
  • 5.5.1 全风况强风波动下按额定功率输出112-113
  • 5.5.2 全风况强风波动下按任意给定功率输出113-114
  • 5.5.3 风速在额定风速以下波动时按额定功率输出114-115
  • 5.5.4 风速在额定风速以下波动时按任意给定功率输出115-116
  • 5.6 本章小结116-117
  • 第6章 孤岛中风-氢混合发电系统功率控制的研究117-132
  • 6.1 孤岛中风-氢混合发电系统系统结构118-119
  • 6.2 风-氢混合发电系统功率控制仿真模型119-122
  • 6.2.1 系统功率控制动态简化仿真模型119-121
  • 6.2.2 风速模型和风力发电机组模型121-122
  • 6.3 混合发电系统的功率控制原理122-123
  • 6.3.1 功率偏差122
  • 6.3.2 频率偏差122
  • 6.3.3 功率控制电路及方法122-123
  • 6.4 不同结构的混合发电系统仿真结果及比较分析123-131
  • 6.4.1 四种系统仿真结构及参数设定123-125
  • 6.4.2 不同结构的混合发电系统仿真结果分析125-131
  • 6.5 本章小结131-132
  • 结论及展望132-134
  • 参考文献134-146
  • 致谢146-147
  • 附录A 攻读博士学位期间发表学术论文147-148
  • 附录B 攻读博士学位期间参加的项目148


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