风力发电系统运行与控制方法研究

论文摘要

风能是一种清洁、实用、经济和环境友好的替代能源,与其它可再生能源一道,可以为人类发展提供可持续的能源基础。在未来能源系统中,风电具有重要的战略地位。人类利用风能已经有数千年历史,现代风电研究与开发也有30多年的历史。许多国家投入了大量人力、物力对风力发电进行长期研究,这些研究成果使风力发电技术不断得到提高。风电开发多年来一直保持很高的增长速度,近几年中国的风电装机容量几乎以每年翻一番的速度迅猛发展。由于风力发电使用的一次能源——风能具有能量密度低、波动性大、不能直接储存等特点,风力发电领域仍然有许多问题需要进一步深入研究。风速的波动性和间歇性给风轮机运行、控制及风电并网等各个环节带来一系列影响,使风力发电表现出与传统发电方式截然不同的特性,是大多数风力发电运行与控制问题的根本原因所在。因此,本文紧紧围绕风速的波动性、间歇性这条线索,从风特征研究、短期风速仿真、小时风速预测、电力系统短期负荷预测,到水电-风电联合运行、飞轮辅助的风力发电系统功率与频率综合控制等方面,对风力发电运行与控制问题进行了研究。主要内容如下:（1）对风能利用所涉及的问题进行了广泛的文献研究,将风能利用研究领域分类为:①风电气象学、风能资源评估与风电场建设,②风力发电设备及联网方式,③风力发电系统的运行与控制,④风电场管理与风力发电安全问题,⑤风力发电新概念、实验研究与现场测试等5个分支研究领域,并对每个分支研究领域进行了综述,旨在为深入研究提供一条有参考价值的线索。（2）提出了用实测风速校正的短期风速仿真方法,其基本思路是:首先用基于风速Kaimal谱的仿真模型得到初步仿真风速,然后用实测风速通过谱模拟对初步仿真风速进行谱校正,校正后的仿真风速能反映特定场址的短期风速变动规律。通过本文的短期风速仿真研究,不仅加深了对短期风速波动规律的认识,而且这种仿真方法也可以用于其它风工程或信号分析领域的仿真研究。（3）提出了小时风速和电力系统短期负荷的向量自回归模型及预测方法,其基本思想是:首先对周期性变化的小时风速或短期负荷时间序列按时间进行向量化,将单变量时间序列转化为向量时间序列,然后建立向量自回归模型,最后将模型用于预测。单变量时间序列向量化过程完全保留了事物周期性变化的信息,所建立的向量自回归模型能更深刻地揭示事物的变化规律。单变量时间序列向量化是一种具有一定普适性的方法,可广泛用于其它领域周期性时间序列的建模与预测。（4）用线性规划法研究了水电与风电的联合运行,建立了水电-风电联合运行数学模型——目标函数和约束条件,通过模型求解结果,定量揭示了水电与风电互补性的本质,即:水电可以对风电提供容量支持,风电可以对水电提供电量支持。（5）提出了用飞轮辅助的风力发电系统功率和频率综合控制方法。通过飞轮的充/放电控制来辅助风力发电,使风力发电-飞轮系统具有传统发电机组的功率和频率控制能力。最后,对本文5个主要创新性研究成果进行了总结,对这些研究成果的应用和进一步深入研究进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 古代风能利用与近代风力发电简史
• 1.1.2 现代风力发电研究与风电开发
• 1.2 中国及世界各国的风电开发
• 1.2.1 中国风电研究与开发简况
• 1.2.2 世界各国风电发展概况
• 1.3 风能利用的研究领域
• 1.3.1 风电气象学、风能资源评估与风电场建设
• 1.3.2 风力发电设备及联网方式
• 1.3.3 风力发电系统的运行与控制
• 1.3.4 风电场管理与风力发电安全问题
• 1.3.5 风力发电新概念、实验研究与现场测试
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 风特征与风速仿真方法研究
• 2.1 风的物理特性
• 2.2 风的统计特征
• 2.3 短期风速仿真的研究概况
• 2.4 基于 Kaimal 谱的短期风速仿真方法
• 2.5 用实测风速校正仿真风速
• 2.6 仿真风速校正算例及结果分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 风力发电预测方法研究
• 3.1 短期风速预测的价值和预测方法
• 3.2 小时风速时间序列的特点
• 3.3 小时风速的VAR模型
• 3.4 VAR模型参数估计及阶的确定
• 3.4.1 VAR模型参数的极大似然估计
• 3.4.2 VAR模型阶的确定
• 3.5 小时风速的VAR预测算例及结果分析
• 3.6 电力系统短期负荷的分时向量自回归（TSVAR）预测
• 3.7 电力系统负荷波动的特点
• 3.8 电力系统负荷时间序列的分时向量化
• 3.9 电力系统短期负荷的TSVAR模型
• 3.10 短期负荷的TSVAR预测算例及结果分析
• 3.11 本章小结
• 第4章 风力发电系统运行研究
• 4.1 风力发电系统的配置模式
• 4.2 风力发电系统运行与监视
• 4.3 恶劣天气下风轮机的运行
• 4.4 风电并网运行及其与电力系统的相互影响
• 4.5 水电、风电的特点及其互补性
• 4.6 水电-风电联合运行研究现状
• 4.7 水电-风电系统联合运行策略
• 4.7.1 水电厂来水、风电场风速数据及系统典型日负荷曲线
• 4.7.2 水电厂、风电场各自单独运行
• 4.7.3 水电-风电理想联合运行
• 4.7.4 水电-风电优化联合运行
• 4.8 水电-风电优化联合运行的数学模型及求解
• 4.8.1 数学模型
• 4.8.2 模型求解方法
• 4.8.3 模型求解及结果分析
• 4.8.4 水电-风电联合运行的意义
• 4.9 本章小结
• 第5章 风力发电系统控制研究
• 5.1 风轮机空气动力学
• 5.1.1 风功率
• 5.1.2 理想风轮机的功率输出
• 5.1.3 计及尾流旋转时水平轴风轮机的功率输出
• 5.1.4 水平轴风轮机的叶片元理论
• 5.2 风轮机偏航机构及偏航控制
• 5.2.1 风轮机偏航方式
• 5.2.2 风轮机偏航控制方法
• 5.3 风轮机控制系统与运行顺序控制
• 5.3.1 功率与转子速度的桨距控制
• 5.3.2 气动失速功率限制
• 5.3.3 风轮机的运行状态及其监控
• 5.4 变速、变桨距风轮机的增益调度控制
• 5.4.1 变速、变桨距风轮机控制及增益调度控制
• 5.4.2 变桨距风轮机的线性变参数模型
• 5.4.3 变速、变桨距风轮机的开环特性
• 5.4.4 变速、变桨距风轮机的线性变参数增益调度控制
• 5.5 飞轮辅助的风力发电系统功率和频率综合控制研究
• 5.5.1 飞轮辅助的风力发电系统配置
• 5.5.2 风力发电-飞轮系统的运行及功率和频率综合控制方法
• 5.5.3 风力发电-飞轮系统控制及仿真模型
• 5.5.4 风力发电-飞轮系统的功率和频率综合控制仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 1 本文的主要结论
• 2 应用及进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录