风能转换系统的建模与控制

【摘要】： 风力发电是涉及电机、电力电子、电力系统、电化学、材料、机械、空气动力学、计算机、自动控制、气象等多种学科的综合课题。随着电力需求的进一步增长，以及世界范围内对环境保护、能源再生等问题的日益重视，二十一世纪将更加重视清洁能源和可再生能源的开发利用，我国现有的以煤电为主的电力结构也必将向发电类型多元化、能源再生化、能源“绿色”化转变，因此，风力发电这种很有发展潜力的发电技术成为一个具有重大实际意义的课题。本文主要探讨如何建立风能转换系统各部分数学模型，并在此基础上研究在系统受到扰动情况下的暂态响应及其控制。 高效而准确的研究工具是后继控制策略研究的基础，因而也是第一步必须完成的工作，本文选用Mathworks公司的数字仿真工具MATLAB建立了包括控制器在内的风能转换仿真模型。在不同环境条件下，仿真结果证明控制模型都能很好的反映真实系统的暂态特性。 本文首先概述了风力发电技术的研究现状及存在问题，介绍了论文的总体思路及所做的工作。 第二章概述了中国风力资源及其利用情况，风能转换系统的组成原理及控制方式。最后对比分析了变速恒频技术。 第三章在d-q坐标轴中，建立独立风能转换系统中各组成部分：包括风力机、发电机、整流器、蓄电池和逆变器的数学模型。根据能量守衡原理，采用统一的标么量基准值，建立系统等效电路，对整流器导通角以及PWM逆变器调制系数进行控制。并结合风力机动力学特性，给出系统在不同风速扰动情况下的状态方程，以及MATLAB实现方法。最后对仿真结果的规律性进行分析研究。 第四章首先介绍直接并网风能转换系统的结构与特点。由于风能具有随机 性和间歇性的特点，随着风电规模的不断扩大，电网将持续受到风电场波动功 率源的干扰。本文结合配电网潮流程序，利用MATLAB作为仿真工具，模拟包 含直接并网风能转换系统的配电网络在受到扰动情况下的暂态响应，对含有风 电场的电力系统稳定性研究及风电场极限穿透功率的研究，提供了可靠的理论 根据，有重要的现实意义。 第五章从蓄电池快速充电理论出发，根据马斯定律，以电压和温升作为控 制变量，运用反向脉冲模糊控制算法对蓄电池快速充电进行模拟，用以提高电 能转换效率，缩短充电时间。 最后对论文进行了总结和引申讨论。 【关键词】：独立风能转换系统 直接并网风电机组 数学模型 变速恒频 电力电子学界面 快速充电 模糊控制
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TM61
【目录】：

• 第一章 绪论9-17
• 1.1 选题背景与研究意义9-11
• 1.2 国内外研究动态11-13
• 1.3 论文思路与结构13-15
• 1.4 论文所做工作15-17
• 第二章 风力发电技术及其对比分析17-30
• 2.1 中国风能资源17-19
• 2.1.1 风能的利用17
• 2.1.2 中国的风能资源分布及发电前景分析17-19
• 2.2 风力发电技术分析19-22
• 2.2.1 新型风电机组的特点19-20
• 2.2.2 风电机组的分类20-21
• 2.2.3 风电技术的进步21-22
• 2.3 变速恒频风电机组技术对比分析22-30
• 2.3.1 频率变换的电力电子学界面23-24
• 2.3.2 六种变速恒频技术24-28
• 2.3.3 对比分析28-30
• 第三章 独立风能转换系统建模与控制30-44
• 3.1 独立风能转换系统的建模30-36
• 3.1.1 风力机动力特性30-32
• 3.1.2 永磁发电机模型32-35
• 3.1.3 电力电子学界面数学模型35-36
• 3.2 风速模型36-37
• 3.3 风能转换系统控制原理与状态方程37-40
• 3.4 算例与仿真分析40-44
• 3.4.1 数字仿真软件MATLAB简介40-41
• 3.4.2 仿真计算条件41
• 3.4.3 仿真结果与分析41-44
• 第四章 直接并网风电场对系统稳定性影响44-58
• 4.1 直接并网风力机调向系统44-47
• 4.1.1 风向传感器有初始偏角时在主风作用下的运动45-46
• 4.1.2 角度电信号转换器46-47
• 4.2 风力发电机并脱网控制47-48
• 4.3 直接并网风能转换系统特点与结构48-49
• 4.3.1 直接并网风电场系统特点48-49
• 4.3.2 直接并网风电场模型结构49
• 4.4 直接并网风能转换系统动态稳定性分析的数学模型49-54
• 4.4.1 d-q轴异步风力发电机的数学模型50-53
• 4.4.2 机端自激电容的确定53
• 4.4.3 数学模型的线性化53-54
• 4.5 直接并网风能转换系统对电网稳定性的确定54-55
• 4.6 算例与仿真结果55-58
• 4.6.1 算例条件55-57
• 4.6.2 仿真结果57-58
• 第五章 蓄电池的建模与控制58-76
• 5.1 蓄电池简介58-59
• 5.1.1 铅蓄电池的分类58
• 5.1.2 铅蓄电池的工作原理58-59
• 5.2 铅蓄电池的特性及端电压-充放电曲线59-63
• 5.2.1 蓄电池特性59-61
• 5.2.2 端电压充放电特性曲线61-62
• 5.2.3 蓄电池运行方式62-63
• 5.3 蓄电池充电方法63-65
• 5.3.1 恒流充电法63-64
• 5.3.2 恒压充电法64
• 5.3.3 低压恒压充电64
• 5.3.4 快速充电64-65
• 5.4 模糊控制基本原理65-68
• 5.4.1 模糊规则库66
• 5.4.2 模糊推理机66-67
• 5.4.3 模糊产生器67-68
• 5.4.4 模糊消除器68
• 5.5 蓄电池快速充电模糊控制68-72
• 5.5.1 蓄电池充电控制研究方法评述69-70
• 5.5.2 模糊控制算法的确定70-72
• 5.6 基于模糊算法的双环结构控制器设计72-74
• 5.6.1 计算控制变量72
• 5.6.2 模糊量化处理72-73
• 5.6.3 规则集的确立73-74
• 5.6.4 模糊消除器74
• 5.7 仿真结果74-76
• 第六章 总结与引申讨论76-79
• 6.1 总结76
• 6.2 引申讨论76-79
• 参考文献79-82
• 发表论文82-83
• 声明83-84
• 致谢84

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