永磁式直驱风电机组控制技术研究

【摘要】：永磁式直驱风电机组具有无齿轮箱、功率密度高和可靠性高等优点,已经成为风力发电市场内的主流机型之一。针对这种快速变化的非线性复杂系统,人们已提出了多种控制方案,这些控制方案主要为解决风机的最大风能捕获,延长机组寿命及降低疲劳载荷等问题,以提高风电能量转换率和达到系统的可靠运行。这些方法一方面存在片面性,只是针对单个系统问题提出一定的方法及控制策略,另一方面,由于缺乏实际应用对象,大多数方法和策略还处于理论探索和研究阶段。 本文在分析永磁式直驱风电机组的国内外研究现状基础上,以校企合作课题“1.5MW直驱风力发电机组的研制”中的SUT-1500永磁式直驱风电机组为对象,对目前机组控制技术面临的关键问题进行深入的研究,主要研究内容和成果如下： (1)推导了永磁式直驱风电机组的模态线性化方程,建立了包括发电机转速、驱动链扭矩、塔架前后位移和速度模态的线性模型。充分考虑了风轮、传动系统、塔架的各阶振动模态以及它们之间的相互影响,提出了永磁式直驱风电机组的整机综合控制策略以及一种新型的桨距角控制器和转矩控制器之间协调切换的控制策略。仿真结果表明机组具有良好的控制品质。 (2)在额定风速以下的最大风能捕获控制中,有针对性地提出了基于自适应模糊控制的转矩控制方法,用于低风速下转速控制,使机组具有稳定快速的电磁转矩响应能力,仿真结果表明转速控制效果和抗扰动性能优于传统的PI控制器。 (3)在额定风速以上的恒功率控制中,针对变桨距系统非线性、强扰动特点及永磁式直驱风电机组变距控制要求,提出一种基于模糊与滑模变结构复合桨距角控制方法,利用桨距角位置误差的切换函数及其导数作为模糊控制器的输入,通过模糊推理和反模糊化得到模糊控制器的输出代替滑模切换控制进行变桨角度调节,来减少风速变化对机组的影响。仿真与实验结果表明该控制策略是行之有效的。 (4)从提高机组稳定性出发,针对永磁式直驱风电机组传动系统扭转振动问题,提出了一种新颖的转矩阻尼控制方法,通过变流器的直流电压进行相位补偿来提供阻尼转矩的方法来抑制风轮平面内一阶模态频率引起的传动链扭矩波动,仿真结果表明,在没有增加发电机功率波动的情况下,加入转矩阻尼控制后消除了系统谐振,减少了机组的振动和载荷对传动链的冲击,验证了转矩阻尼算法的可行性。 (5)针对永磁式直驱风电机组塔架振动控制,在对风轮-塔架耦合振动分析的基础上,提出了通过专家PID控制提供附加桨距角的方案,采用在闭环控制中加入塔架一阶模态频率的阻尼滤波器设计方法进行塔架振动控制,仿真与样机验证结果表明,与无塔架阻尼控制算法的情况进行比较,施加阻尼后塔架前后受力情况明显好转,验证了算法的有效性。 (6)实现仿真和实际控制算法应用的结合,利用既有的校企合作研究课题和实际机组对象,采取分系统控制策略仿真实现到多系统控制策略仿真实现的技术路线,降低单系统控制策略研究的片面性,最终达到整机控制策略的优化,具有实际应用价值。 【关键词】：风电机组 直驱 永磁发电机 滑模变结构 振动控制
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 课题的提出及意义12-15
• 1.1.1 课题的提出12-14
• 1.1.2 课题意义14-15
• 1.2 课题相关技术研究现状15-21
• 1.2.1 永磁式直驱风电机组技术研究现状15-16
• 1.2.2 永磁式直驱风电机组控制技术研究现状16-21
• 1.3 课题来源及研究内容21-25
• 1.3.1 本文课题来源及研究对象21
• 1.3.2 本文拟解决的主要问题及研究方法21-22
• 1.3.3 本文研究主要内容22-25
• 第二章 永磁式直驱风电机组模态线性化及控制策略25-40
• 2.1 引言25
• 2.2 永磁式直驱风电机组系统结构25-26
• 2.3 风能转换模型26-27
• 2.4 永磁式直驱机组传动系统模型27-28
• 2.5 永磁式直驱机组模态线性化28-34
• 2.5.1 风轮的单状态线性模型29-31
• 2.5.2 加入发电机转速和驱动链扭矩的3状态线性模型31
• 2.5.3 加入塔架模态的状态线性模型31-34
• 2.6 永磁式直驱机组的控制策略34-39
• 2.6.1 面向最大功率追踪的转矩与桨距角控制策略34-36
• 2.6.2 转矩与桨距角的协调控制策略36-37
• 2.6.3 考虑永磁式直驱机组动态特性的振动控制策略37-38
• 2.6.4 永磁式直驱机组综合控制策略38-39
• 2.7 本章小结39-40
• 第三章 永磁式直驱风电系统转矩控制方法40-58
• 3.1 引言40
• 3.2 最大风能捕获40-42
• 3.3 基于自适应模糊的直驱系统控制器设计42-47
• 3.3.1 自适应模糊控制42-43
• 3.3.2 自适应模糊控制器设计43-47
• 3.4 转矩自适应模糊控制47-53
• 3.5 转矩自适应模糊控制仿真研究53-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 永磁式直驱风电系统桨距角控制方法58-86
• 4.1 引言58
• 4.2 滑模变结构控制方法58-63
• 4.2.1 滑模变结构控制理论58-59
• 4.2.2 滑模变结构控制方法及分析59-63
• 4.3 自适应模糊滑模控制器(AFSMC)设计63-72
• 4.3.1 变桨距系统模型63-68
• 4.3.2 滑模控制模型68-70
• 4.3.3 模糊控制的算法70-71
• 4.3.4 自适应算法71-72
• 4.4 变桨距系统仿真与实验72-84
• 4.4.1 变桨距系统仿真72-80
• 4.4.2 变桨距系统实验80-84
• 4.5 本章小结84-86
• 第五章 永磁式直驱风电系统振动控制方法86-116
• 5.1 引言86
• 5.2 永磁发电机与变流器模型86-92
• 5.2.1 永磁同步发电机模型86-87
• 5.2.2 背靠背型变流器模型87-92
• 5.3 转矩阻尼控制方法92-102
• 5.3.1 转矩阻尼控制方法92-99
• 5.3.2 转矩阻尼控制方法的仿真研究99-102
• 5.4 考虑塔架振动的桨距角专家PID控制方法102-115
• 5.4.1 塔架振动的专家PID控制102-108
• 5.4.2 塔架振动的专家PID控制仿真与实验研究108-115
• 5.5 本章小结115-116
• 第六章 结论与展望116-118
• 参考文献118-122
• 在学研究成果122-124
• 致谢124-125
• 附录A:SUT-1500直驱风电机组参数125-130
• 附录B:SUT-1500永磁发电机参数130-132
• 附录C:SUT-1500永磁直驱风电机组仿真参数132-133
• 附录D:SUT-1500永磁直驱风电机组稳态曲线133-134

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