大型風力機功率控制與最大能量捕獲策略研究.pdf

1、相比化石能源和核電,風能是一個開發(fā)成本較低,清潔環(huán)境,安全,可再生的能源形式,目前越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論,理論上風機從風中吸收的能量不超過空氣動能的59.3％,實際當中該數(shù)值由于機械結(jié)構(gòu)上的缺陷要更小一些。因此,如何才能夠獲取最大能量,實現(xiàn)風能規(guī)模化利用,一直為學者及業(yè)界所關(guān)注。
　　 近年來,大型風機都采用了變速變槳距控制技術(shù)。采用變速變槳距技術(shù)的主要目的是提高響應(yīng)速度,同時獲得最大能量(低風速時捕獲最大功率,高風速時捕

2、獲額定功率)。但是風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由于一些不確定因素的存在表現(xiàn)出強非線性特征,同時,風機產(chǎn)生的能量隨著風速和風向的連續(xù)波動是快速變化的。另一方面,在一個新能源系統(tǒng)中,電能質(zhì)量和可靠性是兩個最重要的指標。一般傳統(tǒng)線性定常控制器都會引起超調(diào)和損失系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時由于大型變速變槳距風機的復雜性,例如控制算法、高階、耦合、強非線性特征等,常規(guī)的控制方法就不太適合了。
　　 根據(jù)風速的不同,風電系統(tǒng)由四個動態(tài)過程構(gòu)成:啟動、變速運行、變槳距

3、運行、剎車。啟動和剎車過程的主要控制目標是使系統(tǒng)能在最短時間內(nèi)有較快響應(yīng)速度；變速控制的主要控制目標是調(diào)節(jié)風能、減少或消除風能產(chǎn)生過程中的急劇波動,捕獲最大能量、減弱暫態(tài)負荷的影響；變槳距控制的主要控制目標是通過調(diào)節(jié)槳距角來維持風機輸出額定功率不變。
　　 本文對大型風力機系統(tǒng)模型的建立和最優(yōu)功率控制策略問題進行了探討。針對1.5MW變速變槳距雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機組,研究其控制策略,以得到系統(tǒng)的最優(yōu)功率輸出和加強系統(tǒng)的工作性能。仿

4、真研究證明本文提出的控制策略是有效的。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果包括:
　　 (1)對大型雙饋風電機組風輪、齒輪箱、傳動軸、雙饋電機、變槳機構(gòu)等環(huán)節(jié)進行了理論分析和數(shù)學建模,最終得到了一個完整的雙饋風電機組數(shù)學模型?；谝子趯崿F(xiàn)風電機組最大能量捕獲控制的考慮,重點分析了雙饋型感應(yīng)異步發(fā)電機的運行理論,通過對雙饋感應(yīng)發(fā)電機在dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標變換下按定子q軸磁場定向的方法,建立了一個簡化的精確的雙饋感應(yīng)發(fā)電機的數(shù)學模型。
　　

5、 (2)以大型水平軸風力機為研究對象,詳細研究了風力機在進行載荷計算時坐標系的確定原則和方法,通過matlab和VB.net混合編程對風力機基本數(shù)據(jù)、翼形數(shù)據(jù)、空氣動力數(shù)據(jù)進行分析和計算,計算得到風力機槳葉軸向誘導因子、周向誘導因子,相對風速、槳距角、入流角、攻角、扭角等參數(shù)對應(yīng)不同風速的值,最終根據(jù)這些參數(shù),綜合分析得到了變槳載荷的計算算法。
　　 (3)在完成了風電機組建模和載荷計算的基礎(chǔ)上,對電氣獨立變槳和液壓統(tǒng)-變槳這兩

6、種變槳方式進行了系統(tǒng)設(shè)計,包括理論計算、原理圖分析和元件選型等,對電氣獨立變槳進行了實驗研究,對液壓統(tǒng)一變槳進行了仿真研究。通過對液壓變槳系統(tǒng)的液壓泵、電液比例閥、液壓缸、曲柄連桿機構(gòu)等環(huán)節(jié)進行分析和建模,最終得到了一個真實的完整的液壓變槳系統(tǒng)數(shù)學模型,即輸入控制信號是電液比例閥的電流,輸出信號是槳距角,并通過仿真實驗驗證了其穩(wěn)定性和可靠性。
　　 (4)制定了低風速下以發(fā)電機轉(zhuǎn)速作為控制輸入量,采用變速恒頻控制策略；高風速下以

7、發(fā)電機功率作為控制輸入量,采用變槳距控制策略來捕獲最大風能的控制方法。同時針對風電機組高階強耦合強非線性特性,考慮到模糊控制無需精確的數(shù)學模型,滑?？刂颇芴岣呦到y(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性,設(shè)計了一種模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器,對大型風電機組變速和變槳距過程進行控制,最終實現(xiàn)風電機組最大功率的輸出控制。
　　 (5)探討了整個風電機組啟動、變速、變槳距、制動的全過程,基于縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間,提高風機對應(yīng)低風速、額定風速、高風速不同工況下的工作特性