低风速风力机最大功率点跟踪控制的性能分析与改进方法
发布时间：2021-06-29 02:54
随着高风速风能资源的开发殆尽,风能蕴含总量巨大且更加接近负荷中心的低风速风能逐步成为风力发电的新增长点。但是,面对复杂的低风速湍流风况和更大风轮转动惯量的共同影响,低风速风能高效率捕获面临巨大的挑战,沿用传统最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制很难使低风速风力机获得令人满意的风能捕获效率。为此,本文针对低风速风力机的运行风况及其结构特点,总结出低风速风力机MPPT控制器设计所需关注的设计要素。围绕这些设计要素,本文分析比较了最优转矩法和叶尖速比法两类常见MPPT方法的不足,并分别提出了改进控制策略。本文取得的主要成果如下:1.针对低风速湍流风况与大尺寸风轮的缓慢动态特性,本文总结了低风速风力机MPPT控制器设计需要关注的三个设计要素,包括转速跟踪性能、风力机载荷和执行机构限制。在此基础上,围绕这些设计要素分析得到:最优转矩法因受限于其实现原理而具有较差的转速跟踪性能;叶尖速比法在提升转速跟踪性能的同时使风力机承受更大的载荷;发电机电磁转矩调节范围限制会显著影响MPPT控制器的实际控制效果。因此,对于两类MPPT控制方法的改进,需要兼顾...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?“转速一最大气动功率”曲线［１６１１＞??２图１．１中“气动功率－风轮转速”曲线根据美国国家可再生能源实验室（Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?Ｈｎｅｒｇｙ?Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，?ＮＲＥＬ）??９７，１５Ｇ
转矩的做法??能够在一定程度上提升风力机的动态性能，但这却不可避免的受到发电机额定容量的??限制。事实上，Ｅ．Ａ．Ｂｏｓｓａｎｙｉ早在论文中指出｜３（）］，虽然在一些算例中通过改进跟踪算??法能够获得３％的效率提升，但这同时会导致超过发电机额定容量３？４倍的功率波动，??显然不切实际。与此同时，受发电机电磁转矩波动影响，转速跟踪精度的提升也会增??大风力机载荷｜１２，３Ｋ３３］。这将对风力机的运行安全和使用寿命带来非常不利的影响，因??此也需要在ＭＰＰＴ控制器设计中加以考虑。??如图１．３所示，风速的快速变化与风力机的慢动态特性是一对由环境和自身条件??共同导致的矛盾。而低风速风场的高湍流特性又进一步扩大了风力机跟踪性能与风速??所决定的跟踪要求之间的差异１２３？’３４］，给低风速风力机的ＭＰＰＴ控制提出了更高的要??求。??乂?ｆｒ?Ｈｉｍｊｌ??二者协调受舰力Ｉ??机运行的诸多限制■??图１．３低风速风力机最大功率点跟踪面临的挑战??面对不再理想的风速场景，设计条件和应用风场相对理想的传统ＭＰＰＴ控制方法??已不能获得令人满意的风能捕获效率，需要根据低风速风力机的特点进行有针对性的??改进。尝试依靠先进的控制手段更大限度地捕获风能，对进一步提升风力发电技术在??低风速地区的应用前景具有十分重要的意义。??特别地，虽然爬山法因其对模型的依赖程度极低而得到广泛的关注［３５４４］，但由于??风速的快速波动和风力机的大转动惯量都会对该方法最大功率点的搜索造成影响１２１，??４５１，因此难以应用于大型低风速风力机。基于这一原因，本文并未涉及针对爬山法的??研宄和改进。??４??
１绪论?博士学位论文??比较，寻找现有不同ＭＰＰＴ控制方法应用于低风速风力机的优势和不足，并以此作为??ＭＰＰＴ控制策略改进的基础和依据。??（３）围绕三种设计要素的ＭＰＰＴ控制方法优化改进??在上述性能分析的基础上，本文针对不同ＭＰＰＴ方法用于低风速风力机存在的不??足分别进行改进，并设计得到适用于低风速风力机的ＭＰＰＴ控制器，提高低风速风力??机在低风速复杂湍流风况下的风能捕获能力。??在此基础上，本文的研究路线如图１．４所示。??面对ａ杂的湍流风况?ｊ?Ｉ?ｗ冇史人的转动惯（ｉｔ?????—?????—?ｊ?石开??—?—ｆ——?—?——‘…、?５??更高的转速跟踪要求?ＭＰＰＴ控制受到诸多限制?更差的转速跟踪能力?＾??风速的快速波动使得风力机耑耍史电磁转矩调节受发电机荇ｍ限制，风力机的大转动惯ｆｉｔ使其转速调节?Ｍ??快的转速调节以响应风速变化?而激进的转矩调节也会增人栽荷?更加迟缓，难以快速响应风速变化?????■?－?Ｊ?＾?＾??—?Ｊ??—?—?—?—?—?——－…—?ｔ?－??—?——??Ｈｄ????：?－??转速跟踪性能?风力机载荷?执行机构限制??ＭＰＰＴ控制应使风力机具有良好的?ＭＰＰＴ控制应避免给风力机带来过?电磁转矩指令应避免超出发电机ＩＩＪ■丨￥??转速跟踪舰械风速变化?高的栽荷以保证其使睛命：餐执行范丨树以便达到酬控制效梁；：丨文??議?．?????＂??；工??＾?作??Ｈ?传统敁优转矩法缺少影响?ＭＴＩ「：线性反馈的叶尖速比?｜?受限Ｔ电磁转
【参考文献】：
期刊论文
[1]Feedforward Control for Wind Turbine Load Reduction with Pseudo-LIDAR Measurement[J]. Jie Bao,Hong Yue,William E.Leithead,Ji-Qiang Wang. International Journal of Automation and Computing. 2018(02)
[2]Inertia compensation scheme for wind turbine simulator based on deviation mitigation[J]. Weijie LI,Minghui YIN,Zaiyu CHEN,Yun ZOU. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2017(02)
[3]限定寻优区间的风力机最大功率点跟踪控制[J]. 张小莲,郝思鹏,翟晶晶,李军,蒋春容,陈凡. 可再生能源. 2016(03)
[4]2011年-2015年中国弃风数据统计[J]. 张玥. 风能. 2016(02)
[5]一种风电机组在低风速区间的功率控制方法[J]. 张安安,郭红鼎,于兵,李楠,李超. 电力系统保护与控制. 2015(23)
[6]应用于高风电渗透率电网的风电调度实时控制方法与实现[J]. 王彬,孙勇,吴文传,郑太一,张伯明. 电力系统自动化. 2015(21)
[7]促进风电消纳的区省两级电力系统调度模型[J]. 王秀丽,李骏,黄镔,李焰. 电网技术. 2015(07)
[8]永磁同步电机伺服系统的自适应滑模最大转矩/电流控制[J]. 卢涛,于海生,山炳强,迟洁茹. 控制理论与应用. 2015(02)
[9]考虑风电消纳的电力系统源荷协调多目标优化方法[J]. 刘文颖,文晶,谢昶,王维洲,梁琛. 中国电机工程学报. 2015(05)
[10]基于灰色关联度的风机MPPT控制影响因素分析[J]. 张小莲,郝思鹏,李军,蒋春容. 电网技术. 2015(02)
博士论文
[1]考虑湍流频率影响的风电机组最大功率点跟踪的性能优化[D]. 周连俊.南京理工大学 2018
[2]风机最大功率点跟踪的湍流影响机理研究与性能优化[D]. 张小莲.南京理工大学 2014
本文编号：3255575
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?“转速一最大气动功率”曲线［１６１１＞??２图１．１中“气动功率－风轮转速”曲线根据美国国家可再生能源实验室（Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ?Ｈｎｅｒｇｙ?Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，?ＮＲＥＬ）??９７，１５Ｇ
转矩的做法??能够在一定程度上提升风力机的动态性能，但这却不可避免的受到发电机额定容量的??限制。事实上，Ｅ．Ａ．Ｂｏｓｓａｎｙｉ早在论文中指出｜３（）］，虽然在一些算例中通过改进跟踪算??法能够获得３％的效率提升，但这同时会导致超过发电机额定容量３？４倍的功率波动，??显然不切实际。与此同时，受发电机电磁转矩波动影响，转速跟踪精度的提升也会增??大风力机载荷｜１２，３Ｋ３３］。这将对风力机的运行安全和使用寿命带来非常不利的影响，因??此也需要在ＭＰＰＴ控制器设计中加以考虑。??如图１．３所示，风速的快速变化与风力机的慢动态特性是一对由环境和自身条件??共同导致的矛盾。而低风速风场的高湍流特性又进一步扩大了风力机跟踪性能与风速??所决定的跟踪要求之间的差异１２３？’３４］，给低风速风力机的ＭＰＰＴ控制提出了更高的要??求。??乂?ｆｒ?Ｈｉｍｊｌ??二者协调受舰力Ｉ??机运行的诸多限制■??图１．３低风速风力机最大功率点跟踪面临的挑战??面对不再理想的风速场景，设计条件和应用风场相对理想的传统ＭＰＰＴ控制方法??已不能获得令人满意的风能捕获效率，需要根据低风速风力机的特点进行有针对性的??改进。尝试依靠先进的控制手段更大限度地捕获风能，对进一步提升风力发电技术在??低风速地区的应用前景具有十分重要的意义。??特别地，虽然爬山法因其对模型的依赖程度极低而得到广泛的关注［３５４４］，但由于??风速的快速波动和风力机的大转动惯量都会对该方法最大功率点的搜索造成影响１２１，??４５１，因此难以应用于大型低风速风力机。基于这一原因，本文并未涉及针对爬山法的??研宄和改进。??４??
１绪论?博士学位论文??比较，寻找现有不同ＭＰＰＴ控制方法应用于低风速风力机的优势和不足，并以此作为??ＭＰＰＴ控制策略改进的基础和依据。??（３）围绕三种设计要素的ＭＰＰＴ控制方法优化改进??在上述性能分析的基础上，本文针对不同ＭＰＰＴ方法用于低风速风力机存在的不??足分别进行改进，并设计得到适用于低风速风力机的ＭＰＰＴ控制器，提高低风速风力??机在低风速复杂湍流风况下的风能捕获能力。??在此基础上，本文的研究路线如图１．４所示。??面对ａ杂的湍流风况?ｊ?Ｉ?ｗ冇史人的转动惯（ｉｔ?????—?????—?ｊ?石开??—?—ｆ——?—?——‘…、?５??更高的转速跟踪要求?ＭＰＰＴ控制受到诸多限制?更差的转速跟踪能力?＾??风速的快速波动使得风力机耑耍史电磁转矩调节受发电机荇ｍ限制，风力机的大转动惯ｆｉｔ使其转速调节?Ｍ??快的转速调节以响应风速变化?而激进的转矩调节也会增人栽荷?更加迟缓，难以快速响应风速变化?????■?－?Ｊ?＾?＾??—?Ｊ??—?—?—?—?—?——－…—?ｔ?－??—?——??Ｈｄ????：?－??转速跟踪性能?风力机载荷?执行机构限制??ＭＰＰＴ控制应使风力机具有良好的?ＭＰＰＴ控制应避免给风力机带来过?电磁转矩指令应避免超出发电机ＩＩＪ■丨￥??转速跟踪舰械风速变化?高的栽荷以保证其使睛命：餐执行范丨树以便达到酬控制效梁；：丨文??議?．?????＂??；工??＾?作??Ｈ?传统敁优转矩法缺少影响?ＭＴＩ「：线性反馈的叶尖速比?｜?受限Ｔ电磁转
【参考文献】：
期刊论文
[1]Feedforward Control for Wind Turbine Load Reduction with Pseudo-LIDAR Measurement[J]. Jie Bao,Hong Yue,William E.Leithead,Ji-Qiang Wang. International Journal of Automation and Computing. 2018(02)
[2]Inertia compensation scheme for wind turbine simulator based on deviation mitigation[J]. Weijie LI,Minghui YIN,Zaiyu CHEN,Yun ZOU. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2017(02)
[3]限定寻优区间的风力机最大功率点跟踪控制[J]. 张小莲,郝思鹏,翟晶晶,李军,蒋春容,陈凡. 可再生能源. 2016(03)
[4]2011年-2015年中国弃风数据统计[J]. 张玥. 风能. 2016(02)
[5]一种风电机组在低风速区间的功率控制方法[J]. 张安安,郭红鼎,于兵,李楠,李超. 电力系统保护与控制. 2015(23)
[6]应用于高风电渗透率电网的风电调度实时控制方法与实现[J]. 王彬,孙勇,吴文传,郑太一,张伯明. 电力系统自动化. 2015(21)
[7]促进风电消纳的区省两级电力系统调度模型[J]. 王秀丽,李骏,黄镔,李焰. 电网技术. 2015(07)
[8]永磁同步电机伺服系统的自适应滑模最大转矩/电流控制[J]. 卢涛,于海生,山炳强,迟洁茹. 控制理论与应用. 2015(02)
[9]考虑风电消纳的电力系统源荷协调多目标优化方法[J]. 刘文颖,文晶,谢昶,王维洲,梁琛. 中国电机工程学报. 2015(05)
[10]基于灰色关联度的风机MPPT控制影响因素分析[J]. 张小莲,郝思鹏,李军,蒋春容. 电网技术. 2015(02)
博士论文
[1]考虑湍流频率影响的风电机组最大功率点跟踪的性能优化[D]. 周连俊.南京理工大学 2018
[2]风机最大功率点跟踪的湍流影响机理研究与性能优化[D]. 张小莲.南京理工大学 2014
本文编号：3255575
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