大型風(fēng)力機(jī)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(fēng)能是一個(gè)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(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不超過空氣動(dòng)能的59.3％,實(shí)際當(dāng)中該數(shù)值由于機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)模化利用,一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。
　　 近年來,大型風(fēng)機(jī)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(shí)獲得最大能量(低風(fēng)速時(shí)捕獲最大功率,高風(fēng)速時(shí)捕

2、獲額定功率)。但是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由于一些不確定因素的存在表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征,同時(shí),風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)是快速變化的。另一方面,在一個(gè)新能源系統(tǒng)中,電能質(zhì)量和可靠性是兩個(gè)最重要的指標(biāo)。一般傳統(tǒng)線性定?？刂破鞫紩?huì)引起超調(diào)和損失系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時(shí)由于大型變速變槳距風(fēng)機(jī)的復(fù)雜性,例如控制算法、高階、耦合、強(qiáng)非線性特征等,常規(guī)的控制方法就不太適合了。
　　 根據(jù)風(fēng)速的不同,風(fēng)電系統(tǒng)由四個(gè)動(dòng)態(tài)過程構(gòu)成:啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距

3、運(yùn)行、剎車。啟動(dòng)和剎車過程的主要控制目標(biāo)是使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快響應(yīng)速度；變速控制的主要控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)風(fēng)能、減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過程中的急劇波動(dòng),捕獲最大能量、減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制的主要控制目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)槳距角來維持風(fēng)機(jī)輸出額定功率不變。
　　 本文對(duì)大型風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型的建立和最優(yōu)功率控制策略問題進(jìn)行了探討。針對(duì)1.5MW變速變槳距雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)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(duì)大型雙饋風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪、齒輪箱、傳動(dòng)軸、雙饋電機(jī)、變槳機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了理論分析和數(shù)學(xué)建模,最終得到了一個(gè)完整的雙饋風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型?；谝子趯?shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大能量捕獲控制的考慮,重點(diǎn)分析了雙饋型感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行理論,通過對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換下按定子q軸磁場(chǎng)定向的方法,建立了一個(gè)簡化的精確的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
　　

5、 (2)以大型水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,詳細(xì)研究了風(fēng)力機(jī)在進(jìn)行載荷計(jì)算時(shí)坐標(biāo)系的確定原則和方法,通過matlab和VB.net混合編程對(duì)風(fēng)力機(jī)基本數(shù)據(jù)、翼形數(shù)據(jù)、空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,計(jì)算得到風(fēng)力機(jī)槳葉軸向誘導(dǎo)因子、周向誘導(dǎo)因子,相對(duì)風(fēng)速、槳距角、入流角、攻角、扭角等參數(shù)對(duì)應(yīng)不同風(fēng)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(jì)算算法。
　　 (3)在完成了風(fēng)電機(jī)組建模和載荷計(jì)算的基礎(chǔ)上,對(duì)電氣獨(dú)立變槳和液壓統(tǒng)-變槳這兩

6、種變槳方式進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括理論計(jì)算、原理圖分析和元件選型等,對(duì)電氣獨(dú)立變槳進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)液壓統(tǒng)一變槳進(jìn)行了仿真研究。通過對(duì)液壓變槳系統(tǒng)的液壓泵、電液比例閥、液壓缸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和建模,最終得到了一個(gè)真實(shí)的完整的液壓變槳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,即輸入控制信號(hào)是電液比例閥的電流,輸出信號(hào)是槳距角,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其穩(wěn)定性和可靠性。
　　 (4)制定了低風(fēng)速下以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量,采用變速恒頻控制策略；高風(fēng)速下以

7、發(fā)電機(jī)功率作為控制輸入量,采用變槳距控制策略來捕獲最大風(fēng)能的控制方法。同時(shí)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組高階強(qiáng)耦合強(qiáng)非線性特性,考慮到模糊控制無需精確的數(shù)學(xué)模型,滑?？刂颇芴岣呦到y(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了一種模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器,對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組變速和變槳距過程進(jìn)行控制,最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大功率的輸出控制。
　　 (5)探討了整個(gè)風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、變速、變槳距、制動(dòng)的全過程,基于縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,提高風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)低風(fēng)速、額定風(fēng)速、高風(fēng)速不同工況下的工作特性