无速度传感器的风电机组最大功率跟踪方法研究

【摘要】：风电机组是将风能转化为电能的装置,风电机组最大功率点跟踪的目的在于将风能最大限度地转化为电能,提高风能的利用率。在实际运行中,风电机组所处的风电场不同,外界环境的变化会对确定风电机组的最大功率点造成不同程度的影响。同时,风电场恶劣的环境很容易对风电机组的风速传感器与转速传感器这些机械装置造成损伤或破坏,降低了整个系统可靠性。因此,本文将从提高风电机组功率计算精度出发,利用风电机组风速与转速的无传感器算法角度解决上述问题,将两种无传感器算法融合用于风电机组的控制,实现了无速度传感器的风电机组的最大功率跟踪。本文所做的主要工作如下:(1)考虑了风电场所处环境的变化会导致空气密度的取值不再是风电机组出厂时采用的标准值,而空气密度的变化直接影响着风电机组的功率大小。本文首先从国际推广使用的空气密度计算公式出发,对其中可变参数做了合理取值,得出了与空气密度相关的三个环境因素:气压,温度,相对湿度;然后简化了空气密度的计算公式,方便了实际风电机组功率的计算,校正了风电机组的功率曲线,最后确定了气温、气压的变化范围。(2)分析了风速特性对风速传感器测量造成的影响,提出了一种估测风速的方法。该方法用电功率近似替代风电机组的机械功率,减少了对风电机组额外传感器的投入。同时免除了估算方法中对风能利用系数公式的依赖,只需要知道其最优值即可估测风速。给出了当设定空气密度与实际空气密度不同时,估测风速与实际风速的关系及风电机组输出的最大功率与理论输出最大功率的偏差。(3)提出了风电机组的转速观测算法。实际条件下,永磁直驱型风电机组转速等于永磁同步电机的转速。然而永磁同步电机转速属于未知物理量,没有确定的数学模型来描述其状态,故而采用未知输入观测器的方法计算,并给出了观测器参数的确定方法。采用该方法既实现了发电机部分的无转速传感器控制,同时也实现了风电机组的无速度传感器的最大功率跟踪。(4)基于无风速传感器算法和无转速传感器算法,搭建了永磁直驱型风电机组的最大功率跟踪模型。并分析了实际空气密度波动时,风电机组理论最大功率输出与实际最大功率输出的偏差变化情况。验证了本文提出的无速度传感器算法的有效性。 【关键词】：风电机组 最大功率点跟踪 无速度传感器 风速测量 转速测量
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 选题背景与意义8-10
• 1.2 风电机组最大功率点跟踪影响因素研究现状10-11
• 1.2.1 风速及风向10
• 1.2.2 空气密度10-11
• 1.2.3 风电机组结构11
• 1.3 无速度传感器的风电机组最大功率点跟踪控制研究现状11-13
• 1.3.1 无风速传感器最大功率点跟踪控制12-13
• 1.3.2 无转速传感器最大功率点跟踪控制13
• 1.4 本文主要工作13-16
• 2 风电机组模型的建立及运行特性分析16-24
• 2.1 风电机组模型的建立16-19
• 2.1.1 风轮模型16
• 2.1.2 传动机构模型16-17
• 2.1.3 变桨距机构模型17
• 2.1.4 永磁同步电机模型17-19
• 2.2 风能利用系数19-21
• 2.2.1 叶尖速比19-20
• 2.2.2 桨距角20-21
• 2.3 风电机组最大功率跟踪策略分析21-22
• 2.4 本章小结22-24
• 3 影响风电机组最大功率点的空气密度因素分析24-40
• 3.1 空气密度计算方法24-25
• 3.2 空气密度参数计算25-29
• 3.3 空气密度影响因素分析29-34
• 3.3.1 气压29-30
• 3.3.2 温度30-32
• 3.3.3 相对湿度32-34
• 3.4 风能最大功率曲线的修正34-39
• 3.5 本章小结39-40
• 4 风电机组中速度观测器的设计40-56
• 4.1 风速特性分析40-41
• 4.1.1 风切变效应40-41
• 4.1.2 塔影效应41
• 4.2 风速的测量及观测器设计41-48
• 4.2.1 风速的测量41-43
• 4.2.2 风速观测器设计43-48
• 4.3 永磁电机的转速估测及观测器算法48-55
• 4.3.1 永磁电机的转速估测48-49
• 4.3.2 永磁同步电机转速观测器设计49-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 无速度传感器的风电机组最大功率点跟踪仿真分析56-72
• 5.1 风电机组的最大功率点跟踪算法56-59
• 5.2 风速软测量的仿真研究59-66
• 5.2.1 风速仿真模型建立60-61
• 5.2.2 风速的估测61-66
• 5.3 无速度传感器的风电机组最大功率跟踪仿真研究66-70
• 5.3.1 忽略空气密度变化的最大功率跟踪仿真66-69
• 5.3.2 考虑空气密度变化的最大功率跟踪仿真69-70
• 5.4 本章小结70-72
• 6 总结与展望72-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-82
• 附录82
• A作者在攻读学位期间发表的学术论文82
• B作者在攻读学位期间参加的科研项目82

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