全风速适应离网型风电控制器的研发

【摘要】：随着世界经济的飞速发展，煤和石油等化石能源的消耗迅猛增长，能源的枯竭和环境污染问题迫在眉睫，促进新能源和可再生能源的开发和发展己成为世界各国政府和能源界研究和投资的热点。风能是一种清洁无污染的绿色可再生能源，储量丰富且取之不尽、用之不竭，世界各国都在重点研究和开发。 然而，由于自然风的随机性和间歇性导致风力发电系统输出功率具有较大的波动难以满足终端各种电力设备需求，和当风速介于风力发电机的启动风速和切入风速之间时，常采取使风力发电机处于非工作状态，致使风力发电系统不能有效地利用自然界低风速区的风能资源等问题，限制了风能利用率的提高，因此本文就风力发电系统的随机波动和风能利用问题进行了主要研究。 本文首先简述了目前国内外风力发电机的现状，并对风能存储技术的种类、特性进行了概述和分析，为后面进行风电储能控制系统设计提供了必要的技术背景。 其次，本文在风电储能控制系统设计时，提出了基于双闭环反馈控制和动态储能补偿关键技术的双参数电容储能控制策略。如果电池没有很好地充电方式，势必将造成电池寿命减少、电池组电压不平衡，甚至过压过流等安全问题，双闭环反馈控制技术则分别采样电池的电压、电流以内外环的形式来控制电池的充电过程，延长其寿命并提高风电系统的安全性；动态储能补偿则依据自然风的随机波动特点，以全风速适应为目标，利用具有双向功率流动的DC-DC变换器来对风力发电输出功率进行削峰填谷。 再次，本文对风电控制系统中的主要控制环节给出了响应的传递函数，并计算了必要的关键参数。基于电气仿真软件Matlab/Simulink对风电控制系统进行了建模和仿真，从风速、风轮、永磁发电机到风电控制系统模型都进行了较为详细地阐述，从整体上完成了离网型直驱风电系统的模拟，验证了双参数电容储能控制策略原理上的可行性。 最后，基于BMS-ZF01锂电储能系统试验平台进行了锂离子电池组的测试，得出了锂离子电池充放电特性曲线，同时对锂电池储能系统、风光互补路灯控制器及外转子永磁发电机系统完成了耦合，实现了比较完整的风电系统对负载电池的有效储能。 【关键词】：风能 风电控制系统 储能控制策略 双闭环控制 双向功率流
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-6
• 符号表6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题来源11-12
• 1.1.1 课题简介11-12
• 1.1.2 承担研究内容12
• 1.2 课题背景及研究意义12-15
• 1.3 离网型风电储能控制技术的发展现状及特点15-16
• 1.4 研究内容与技术路线16-19
• 第2章 离网型风电储能控制系统的结构及基本理论19-32
• 2.1 离网型风电系统19-22
• 2.1.1 离网型风力发电机分类19-21
• 2.1.2 风力发电机工作特性21-22
• 2.2 风电基础理论22-31
• 2.2.1 空气动力学基础理论22
• 2.2.2 永磁发电机基础理论22-23
• 2.2.3 电力变换理论23-28
• 2.2.4 PWM 控制技术28-29
• 2.2.5 锂离子电池储能技术29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 离网型风电储能控制器的原理设计32-55
• 3.1 双参数储能控制策略32-34
• 3.1.1 双参数储能控制策略原理32-34
• 3.1.2 双参数储能控制策略设计34
• 3.2 锂离子电池充电方式34-36
• 3.2.1 锂离子电池充电简易等效模型34-35
• 3.2.2 锂离子电池充电方式选择35-36
• 3.3 整流电路36-37
• 3.4 Buck 电路平均数学模型37-40
• 3.5 双向 DC-DC 变换器40-49
• 3.5.1 双向 DC-DC 变换器工作原理40-43
• 3.5.2 双闭环控制结构43-49
• 3.5.3 动态补偿原理49
• 3.6 大容量电容49-50
• 3.7 风电控制系统结构50-54
• 3.8 本章小结54-55
• 第4章 离网型风电储能控制器的仿真设计55-68
• 4.1 仿真软件简述55-56
• 4.1.1 SimPowerSystems55
• 4.1.2 S 函数55-56
• 4.2 离网型风电系统的仿真模型56-60
• 4.2.1 风速模型58
• 4.2.2 直驱式离网风力发电机系统模型58-59
• 4.2.3 直流斩波模型59-60
• 4.2.4 DC-DC 电路模型60
• 4.3 离网型风电系统的仿真结果60-67
• 4.3.1 离网型风电系统带阻性负载60-61
• 4.3.2 离网型风电系统通过缓冲器接阻性负载61-63
• 4.3.3 在带负载的情况下 PMU 的仿真63-64
• 4.3.4 PMU 动态储能补偿仿真64
• 4.3.5 在随机波动输入的情况下 PMU 的仿真64-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第5章 离网型风电储能控制器的硬件设计68-78
• 5.1 离网型风电储能控制器硬件的设计68
• 5.2 控制电路68-72
• 5.2.1 TMS320F2812 DSP 简介68-69
• 5.2.2 采样电路69-70
• 5.2.3 滤波电路主要参数设计70-71
• 5.2.4 电源电路71
• 5.2.5 时钟电路71-72
• 5.2.6 驱动电路72
• 5.3 主电路72-77
• 5.3.1 三相不可控桥式整流电路主要参数设计72-73
• 5.3.2 降压斩波电路主要参数设计73-74
• 5.3.3 双向 DC-DC 变换器主要参数设计74-75
• 5.3.4 大容量电容参数设计75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第6章 离网型风电储能控制系统的性能测试及分析78-86
• 6.1 离网型风电储能控制器的试验平台78-82
• 6.1.1 外转子永磁风力发电机试验平台79-80
• 6.1.2 SNWS06-12v/24v 风光互补路灯控制器80
• 6.1.3 BMS-ZF01 锂电储能系统80-82
• 6.2 BMS 试验平台82-85
• 6.2.1 BMS 试验平台主要技术参数82
• 6.2.2 BMS 试验平台主回路82-83
• 6.2.3 试验内容83
• 6.2.4 测量仪器83
• 6.2.5 试验结果及分析83-85
• 6.3 本章小结85-86
• 第7章 结论86-88
• 7.1 研究结论86-87
• 7.2 研究展望87-88
• 参考文献88-92
• 附录A 整流电路参数设计算例92-93
• 附录B S 函数程序93-97
• 致谢97-98
• 攻读硕士学位期间的研究成果98

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