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

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

风力发电机、变流器及其低电压穿越概述    赵栋利;胡书举;赵斌;许洪华;

直驱型风力发电系统概述    胡书举;

风电产业、风电设备及风电轴承    杨晓蔚;

永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究    田淳,胡育文

峰值电流控制DC/DC变换器的恒值限流方法    何亮;方宇;李吉;邢岩;

平均电流控制下的DC/DC变换器大小信号统一动态模型(英文)    刘雁飞;

永磁同步电机最小损耗的直接转矩控制    王晓磊;赵克友;

无速度传感器控制永磁直驱风电变流器的研制    胡书举;王剑飞;赵栋利;李建林;许洪华;

直驱式永磁同步风力发电机性能研究    张岳;王凤翔;

考虑损耗模型永磁同步电机直接转矩控制    许峻峰,冯江华,许建平

改造发电机励磁系统提高电网输送能力的分析和研究    汤伟;

几种无功补偿技术的分析和比较    杨孝志;

基于SOPC的SVPWM波形研究    丁桂晓;吴星明;刘敬猛;

沈阳地区待建风电场发电量定量预报方法研究    姜晓艳;张菁;明祥;臧俏冰;于万军;姜淼;

基于小波分析与神经网络的风电场短期风速预测    储茂得;周松林;

风力发电并网逆变器的前馈解耦控制    李正熙;郑春雨;樊生文;

基于Lyapunov理论的交流传动系统建模和稳定性分析    刁利军;刘志刚;孙大南;贾利民;

基于CANopen的能馈式供电系统网络控制研究    梅樱;刘志刚;张钢;王磊;全恒立;

基于低通滤波补偿积分器的直驱型永磁风力发电机无位置传感器控制    唐芬;金新民;周啸;童亦斌;

基于SVPWM高功率因数整流器的建模与仿真    张树团;张凯;李静;

一种新型电动汽车智能充电机的研制    胡春雨;李武峰;严辉;

基于STM32纯电动汽车电驱控制研究    胡伟明;

永磁同步电机直接转矩控制系统的开关频率优化及其模糊控制    盛义发;喻寿益;洪镇南;高金生;

基于积分滑模控制的三电平Buck变换器    黄悦华;

一种新颖的永磁同步电机直接转矩控制方法    盛义发;喻寿益;洪镇南;

PWM整流器直接功率控制的新型调制策略    郑征;王聪;赵焕;

自抗扰控制技术在变速恒频双馈风力发电系统中的应用    周雪松;李超;马幼捷;李季;于阳;

Direct Power Control of Voltage Source Rectifier    

采用电流内模解耦和电压二自由度内模控制的PWM整流器    周渊深;

PWM整流器新型控制策略研究    郑征;邹瑾;

分布式电源的概率建模及其对电力系统的影响    王敏

数字化PWM逆变系统控制关键技术研究及其应用    杨金辉

SOFC固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算    刘杨华

考虑分布式发电的配电网综合负荷建模方法研究    钱军

多相永磁电机的理论分析及其控制研究    王晋

并联型有源电力滤波器谐波检测及控制技术研究    谢斌

多绕组变压器式可调电抗的研究与应用    田军

电网多数据源在线诊断方法研究    周子冠

风能转换系统的分析、控制与优化方法研究    吴定会

基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究    杨波

基于DSP的交流异步电动机变频调速技术研究    杨亮

基于FPGA的跑步机变频调速系统的设计研究    高圆圆

电流型Z源逆变器主电路控制策略研究    翟清震

阻抗源能馈型交流电子负载的研究    董云连

风力发电机组暂态模型和稳定性分析方法研究    陈建伟

宽频调速系统设计及精度分析    史大伟

海洋潜器全方位推进器主轴控制系统设计与实现    王嘉男

三相大功率PWM整流器系统的研究    张晓峻

多模块并联DC/AC电力变换技术研究    吕世家

基于电力系统的电能质量检测与分析    李建军

机械传动系扭振通用模型的研究    尹华兵,程瑞廷

并网型大型风电场风力发电功率-时间序列的混沌属性分析    王丽婕;廖晓钟;高爽;冬雷;

变速恒频风电系统应对电网故障的保护电路分析    胡书举;李建林;许洪华;

风力发电机发展现状及研究进展    程明;张运乾;张建忠;

我国风力发电机组总装企业现状    祁和生;

超导储能改善并网风电场稳定性的研究    吴俊玲,吴畏,周双喜

电压型PWM整流器直接功率控制技术    王久和,李华德,李正熙

基于传感器集成概念的永磁同步电机转子位置检测    刘毅,贺益康,秦峰,章玮

永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制    闫耀民,范瑜,汪至中

一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法    杨旭,王兆安

平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的实验与数值模拟    汤根土

安多100kWp独立运行光伏发电系统暂态稳定性分析    杨毅男

江苏沿海风电开发的可行性分析    刘海东

直接驱动式永磁风力发电机设计研究    谢若初

变速恒频双馈风力发电系统的研究    王昌存

无刷双馈变速恒频风力发电控制系统研究    刘伟

直驱永磁同步风电机组建模及其控制系统仿真研究    张梅

燃料电池——21世纪的能源之星    王静,薛明霞,孟婕

中国的燃料电池技术    黄振中

燃料电池及其发展概况    吴忻

燃料电池的技术发展及应用分析    邓亚东,王仲范

燃料电池的节能与环保特性分析    鲁德宏

固体高分子型燃料电池的开发    赵惠英

燃料电池技术及应用    唐伦成,杨亭阁,王佳

燃料电池——新型的清洁煤发电技术    佐双吉

燃料电池发展及其应用    张胜涛,温彦

固体氧状物燃料电池    

固体氧化物燃料电池制备方法评述    韩敏芳;彭苏萍;王立刚;

低温固体氧化物燃料电池    夏长荣;

大型乙烯裂解炉与固体氧化物燃料电池的联合    何琨;吴德荣;马紫峰;

燃料电池用石墨材料    朱文菊;

一种直接硼氢化钾燃料电池    董华;冯瑞香;艾新平;杨汉西;

固体氧化物燃料电池研发中的“逆主流”思考    孟广耀;

燃料电池金属双极板现况与未来发展    李碩仁;邱弘興;

高能金属铝燃料电池的研究    唐有根;卢凌彬;黄伯云;

多元SOFC阳极复合材料研究    吕喆;贺天民;黄喜强;裴力;赵星海;纪媛;苏文辉;

YSZ电解质膜管的制备及其在固体氧化物燃料电池中的应用    贺天民;吕哲;黄应龙;管鹏飞;陆国会;苏文辉;

21世纪的能源燃料电池    郑惠荣

燃料电池-未来的燃料    

燃料电池研发应立足四个重点    刘四旦

王诚：为燃料电池做“保湿”    本报记者　房琳琳

燃料电池：21世纪的能源主流    本报记者 宋剑峰

日本燃料电池市场将急剧扩大    陈锐

燃料电池与汽车行业的革命    

NEC工程师 为你解读燃料电池    

奥运公交将难见燃料电池身影    本报记者 吴凡

上汽燃料电池样车出炉    唐士军

直接硼氢化物燃料电池铜阳极电化学性能研究    段东红

中温固体氧化物燃料电池的研制与电极过程的研究    阎景旺

直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂及膜电极研究    王广进

直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂及膜电极研究    王广进

直驱永磁风电—燃料电池混合系统建模及功率平滑控制    谭勋琼

固体氧化物燃料电池复合掺杂阴极材料的研究    马文会

多元金属纳米结构燃料电池催化剂的设计与制备    崔春华

基于支持向量回归机的燃料电池研究    唐江凌

低温燃料电池用纳米催化剂新型制备技术的研究    田植群

WC增强燃料电池贵金属催化剂催化性能的研究    聂明

熔融碳酸盐燃料电池分布式发电的鲁棒H_∞控制    王志丰

固体氧化物燃料电池的传热传质数值模拟    黄镜欢

小型氢空燃料电池结构及操作条件优化的研究    孟艺飞

电催化氧化溶液硫化物的基础研究    劳国洪

基于光伏发电微源的微网动态特性研究    赵巧云

燃料电池内阻测试用交流变频信号源研究与设计    张巍

燃料电池用化学交联聚乙烯醇基碱性复合膜的制备与性能研究    傅婧

燃料电池碱性阴离子交换膜的制备与表征    李明

添加剂对硼氢化钠电化学行为的影响    岳增芳

熔融碳酸盐燃料电池单体传热传质数值模拟    刘永江