600kW液压蓄能式风力发电机组设计与控制研究

发布时间：2020-05-27 08:32

【摘要】：风力发电行业的快速发展对于缓解能源危机、解决环境污染问题和促进世界经济发展有重要作用。传统齿轮传动风力发电机组存在齿轮箱故障率高、变流装置价格昂贵和使用维护费用高等缺点。与齿轮传动机组相比,直驱式永磁机组省略了增速齿轮箱,但是仍然需要庞大的变流装置。液压风力发电机组取消了齿轮箱和变流装置,具有功率密度高、便于实现无级调速和系统刚度大等优点,成为当前风力发电技术的研究热点。由于风能具有随机性、波动性和间歇性的特点,大规模风电并网会给电网稳定运行带来巨大冲击,降低电能质量,成为制约风电发展的瓶颈。为此,本文提出将大容量液压蓄能系统引入液压风力发电机组,用来消除风能波动性对电网及电能质量的不利影响,实现风能高效蓄存利用和高品质电能输出,对新一代风力发电技术的发展有重要意义。本文针对600kW液压蓄能式风力发电机组的技术参数和工艺要求,对液压蓄能式风力发电机组的总体方案和液压回路进行了系统的设计。在分析液压蓄能式风力发电机组系统结构和工作过程的基础上,把整个液压系统分成风能-液压能蓄存、液压蓄能发电和风能发电与蓄存三个基本液压回路。推导了机组主要元件的数学模型,通过分析所建数学模型与AMESim元件库的对应关系,建立了三个基本液压回路的AMESim仿真模型。针对风能-液压能蓄存基本回路的转速控制,提出采用风轮转速闭环和主液压马达转速闭环相结合的双闭环控制方法,该方法解决了在风速波动和蓄能压力变化条件下风轮转速、主液压马达转速和风能蓄存的控制问题;研究揭示了风速和风轮转速阶跃信号作用下风轮叶尖速比、风能利用系数、主液压马达转速、蓄能流量等参数的变化规律。在液压蓄能发电基本回路的转速控制上,进行了PID参数对马达转速控制抗负载扰动能力影响规律的研究,实现马达转速的精确控制。为了消除液压系统时变非线性对系统控制性能的影响,提出将神经网络PID用于机组的转速控制。以液压蓄能发电基本回路的马达启动过程为研究对象,利用建立的AMESim-MATLAB联合仿真模型进行了单神经元PID控制仿真研究,仿真结果表明单神经元PID控制具有较强的鲁棒性与自适应性。为了实现600kW液压蓄能式风力发电机组的最大风能吸收利用,针对风轮转速控制的实现方法和影响风轮风能利用系数的主要因素,提出了基于最佳叶尖速比的最大功率跟踪控制方法。基于蓄能器自动充、放液特性,提出利用蓄能系统完成风轮吸收功率和发电机输出功率的解耦,实现两者功率差的自动补偿,并通过仿真验证最大功率跟踪控制方法和功率自动补偿的可行性和有效性。搭建了600kW液压蓄能式风力发电实验平台,提出了针对液压风力机的风轮启动方法和流程,成功完成了百千瓦级风能-液压能转换的外场实验。通过实验验证了所提的液压风力机风轮启动方法和风轮、发电液压马达转速控制方法的合理性,为液压蓄能式风力发电机组的设计提供理论依据和指导。
【图文】：

可再生能源,装机容量,世界

：17ZD2GA010。课题研究背景能源是人类社会赖以生存的重要物质基础，它的开发利用极大地推动了和人类社会的发展。煤炭、石油和天然气等石化资源仍然是当今社会的，占目前人类能源总消耗量的 95%以上[1]。截止 2017 年，全球探明石油.697 万亿桶，按照 2017 年石油的生产能力，这只能满足全世界 50.2 年求。全球天然气探明储量为 193.5 万亿立方米，仅够满足全世界 52.6 年而全世界探明煤炭储量也只能满足世界各国使用 134 年[2]。随着这些不源的大量消耗，全世界都将面临能源短缺的危机。伴随着石化资源消耗的急剧增加，环境污染问题也凸显出来。据欧盟委机构研究发现，，使用石化资源平均发电每千瓦时就需要排放 696g 二氧的大量二氧化碳正是引起全球变暖和气候异常的主要原因[3]。据资料显年中国因大量使用石化燃料引起全国部分城市的 PM2.5 指数急剧上升持续的严重雾霾天气。自从 1973 年发生全球石油危机以来，世界各国都

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600kW 液压蓄能式风力发电机组设计与控制研究求能够替代石油、煤炭和天然气等石化燃料的新能源，于是人们把目光转向、太阳能和海洋能等绿色可再生资源[5]。图 1.1 表示的是 2017 年全世界可再源的装机容量[6]。2018 年可再生能源全球现状报告指出 2016 年可再生能源终总能源消费的比例为 10.4%，2017 年底可再生能源发电量占全球电力生产的比重为 26.5%[6]。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315

【参考文献】