变速变桨距风力发电系统功率优化与控制方法研究

发布时间：2020-03-19 09:50

【摘要】：现代社会能源问题日渐严重和生态环境问题频发,开发利用可再生能源对改善生态问题有着极为重要的作用。其中风能具有分布广泛、储量丰富和利用方便等特点,成为现阶段发展速度最快和最具有发展前景的可再生能源之一。风电技术中风力发电系统的功率优化与控制方法研究也成为研究的重点。选用双馈风力发电系统为研究对象,通过分析风力发电系统的基本组成结构和运行状态,提出了全风速段双模控制策略。并且建立了变速变桨距风力发电系统的数学模型和模拟风速的仿真模型,为验证控制策略的有效性提供仿真环境。针对风力发电系统在额定风速以下运行时的最大风能捕获问题,分别采用爬山搜索法和改进极值搜索法进行风电系统的最大风能捕获控制。改进极值搜索法通过运行点相位信息来进行搜索,并通过改进积分器实现变步长快速追踪稳定运行的控制目标。仿真结果表明:改进极值搜索法能够使系统快速地跟踪风速变化,保持最佳叶尖速比,提高了风能利用系数和风能的利用效率。针对风力发电系统在额定风速以上运行时保持恒功率运行问题,分别采用常规PID和模糊自适应PID变桨距控制。通过模糊控制器来实时整定PID控制器的三个参数,提高了变桨距控制系统的动态响应特性,使系统的输出功率更加稳定,同时降低了系统的机械载荷,保证了风电系统的平稳安全运行。针对风力发电系统的功率优化与控制问题,提出了在全风速段以两种控制模式运行的控制策略。对风力发电系统的运行风况进行以额定风速为准的高低两种风况的判别,低风速段采用基于改进极值搜索法的最大风能捕获控制;高风速段采用基于模糊自适应PID变桨距控制。通过仿真效果来看,针对不同的风况条件,实现了风力发电系统功率的优化与控制,能够使系统快速响应,有效提高了风能利用效率和恒功率运行的稳定性,既提高了风力发电系统经济效益又保证了安全稳定运行。图36幅;表8个;参44篇。
【图文】：

结构图,风力发电系统,变桨距,结构图

再到电能的能量转化过程。2.1 变速变桨距风力发电系统基本结构在风力发电系统的设计和生产中，大容量风力发电系统中的主导机型是双馈式风力发电机组和直驱式永磁发电机组。双馈式风力发电系统采用的是双馈异步感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称 DFIG）。双馈感应发电机的定子绕组直接连接到电网，转子绕组与双向背靠背（AC-AC）的基于 IGBT 的电压源变流器相连。定子绕组也称功率绕组，将发电机的电功率传输到电网；转子绕组也称控制绕组，通过双向变流器连接电网，通过调节其频率等参数来控制输出功率，确保电网稳定。双馈感应发电机以其调速范围广，功率解耦可调、机械结构简单坚固和制造成本低廉等优势成为当前风电市场的主流机型[33]。双馈风力发电系统组成部分主要有风轮、传动机构、发电装置、控制系统、变桨系统、偏航机系统、制动系统等[34]，如图 1 所示。

风力发电系统,桨距

其的可靠性要求比常规机械部件严格得多，除了常规的机械性能抗低温性、良好的抗噪声性和较高的齿轮精度等级，，润滑、冷却十分必要的设计。主齿轮箱的种类众多，按照传动方式分为平行和组合传动齿轮箱，按照传动级数分类有单级和多级齿轮箱等。机是风力发电系统中的重要部件，负责把主轴输出的机械能转换网或储存在储能装置中。目前，风力发电系统中主要机型有笼型感应发电机和同步发电机等。针对不同的风力发电系统和控制策机类型。双馈感应发电机的定子绕组与笼型感应发电机相同，为转子绕组通过用于变速恒频控制的双向变流器连接到电网，采用风力发电系统如图 2 所示。双馈发电机的定子与转子都可以进行，即馈电的运行方式。采用双馈发电机只需要控制转差功率，一率的 30%，大大减小了变流器的容量，获取了较大的调速范围，风电技术的应用日益广泛。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

【参考文献】