大型变速变桨风力发电机组的先进控制技术研究

发布时间：2017-04-13 08:08

  本文关键词：大型变速变桨风力发电机组的先进控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：化石能源的大量使用在推动社会经济发展的同时,也污染了世界范围的生存环境。同时,随着化石能源的日益枯竭,寻求可再生的清洁能源成为各国的共识。风能作为环境友好的规模化能源,在近些年来快速发展,对于解决能源危机与环境污染问题具有重要意义。实现并网发电的大型变速变桨风力发电机组结构复杂,需要在湍流风、低速风、阵风等不同环境条件下实现正常运行。同时,电网侧也对并网风电机组的可靠运行提出了较高的要求。为了提高系统整体的性能和可靠性,先进的控制技术已成为风电机组系统设计的核心。大型风电机组本身是非线性时变的大惯性系统,实时快速地跟踪转速参考值的控制目标受到机械部件响应速度限制。同时,湍流风作为有着间歇时变特性的动力源,受到风切变效应和塔影效应等影响。风速测量值存在延迟、不准确且不可用于实时控制,难以预料的风速突变给风电系统带来强力扰动。另外,并网和室外运行引发的不确定因素等难题都给风力发电控制系统的设计提出了挑战。为了获得高质量的风电产能,并且延长风力发电机寿命,本文首先针对高风速段发电机转速和输出功率平稳问题进行研究。考虑到转动部分的大惯量特性,根据风电机组实际模型响应能力设计参考模型的零极点位置表征对动态特性的理想要求。在不依赖风速测量和准确空气动力学模型等先验知识的条件下,基于非仿射风电机组模型设计了一种具有快速响应能力的L1自适应变桨距控制器。该方法针对不同风电机组提出了具有普适性的控制器结构形式,对风电机组的各项物理参数不敏感,提高了湍流风条件下的额定转速跟踪能力,从而降低了风轮和发电机的载荷,提高了电能质量。在L1自适应变桨距控制器的基础上,为了弥补单独的变桨或者变速环节的调节能力限制,本文设计实现了变桨变矩联合控制策略。变桨变速风力发电机是多输入多输出强耦合系统,本文采用滑模变结构方法实现解耦控制,降低风电系统对内部不确定性以及外部扰动的敏感度,得到便于设计的变转矩内环和变桨距外环两个控制回路。从而,进一步提高了发电机转速平稳跟踪能力,获得了更好的稳定电能输出。考虑风电高渗透率条件下的电网场景,本文为风电机组低风速段的最大化风能捕获和风电机组功率平衡发电两种运行状态分别设计控制器。在间接转速控制最大化风能捕获的基础上,分析风能利用系数与叶尖速比的关系,基于最优转速估计方法添加转速偏差的PI控制环节改进风能利用率。之后,相对于低风速段传统的间接转速功率调整策略,采取相同的参考转速设定方法,将联合控制应用于功率调整,通过主动调节的方式利用滑模变结构控制作为转矩内环消除有功功率参考值与发电功率输出之间的偏差,更准确快速地实现有功功率供需平衡。
【关键词】：风力发电机组 L_1自适应控制 变桨变矩联合控制 功率平稳 功率平衡 GH Bladed
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TP273
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 引言12-17
• 1.2 本文主要内容安排17-20
• 2 风力发电机组模型20-28
• 2.1 空气动力及传动链部分20-22
• 2.2 发电机部分22-24
• 2.3 传统风电机组工作区间24-28
• 3 风力发电机组的变桨距控制技术28-56
• 3.1 引言28-30
• 3.2 L_1自适应变桨距控制器30-40
• 3.2.1 非仿射系统转化为仿射线性时变系统31-37
• 3.2.2 状态预测器37-39
• 3.2.3 实际模型的桨距角控制量39-40
• 3.2.4 控制器自适应机制40
• 3.3 L_1自适应控制器性能分析40-47
• 3.3.1 闭环参考系统40-41
• 3.3.2 跟踪误差信号41-44
• 3.3.3 瞬态和稳态性能44-47
• 3.4 仿真验证47-54
• 3.4.1 仿真情形1：阵风48-51
• 3.4.2 仿真情形2：湍流风51-54
• 3.5 本章小结54-56
• 4 风力发电机变桨变矩联合控制56-70
• 4.1 引言56
• 4.2 问题描述56-57
• 4.3 解耦过程57-59
• 4.4 变桨变矩联合控制框架59-60
• 4.5 滑模变结构转矩控制60-63
• 4.6 L_1自适应桨距角控制63-64
• 4.7 仿真研究64-68
• 4.8 本章小结68-70
• 5 风力发电机最大风能捕获及限功率控制70-88
• 5.1 引言70-72
• 5.2 问题描述72-73
• 5.3 控制器结构73-78
• 5.3.1 低风速段,最大风能捕获73-75
• 5.3.2 低风速段,单台风力发电机的有功功率控制75-78
• 5.4 仿真结果78-85
• 5.4.1 低风速段,最大风能捕获78-81
• 5.4.2 低风速段,单台风力发电机的有功功率控制81-85
• 5.5 本章小结85-88
• 6 总结与展望88-92
• 6.1 全文总结88-89
• 6.2 下一步的工作89-92
• 参考文献92-98
• 攻读硕士学位期间取得的成果及参与的项目98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：303161