并网型风力发电系统建模及其网络化控制方法研究

论文摘要

随着世界环境危机、能源危机的日益加剧,世界各国对于节能减排和低碳环保的大力倡导,作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源,风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制等多学科的交叉研究领域。目前在该领域,研究难点和热点集中在风电的并网、低电压穿越、风电先进控制策略及优化技术等方面。风力发电方面技术的进步,必将带动信息、能源、机械、材料、电力等领域的技术发展与创新,创造可观的经济效益与社会效益,有效减少环境污染与碳排放,促进社会的可持续发展。并网型风力发电系统可以更有效地利用风能,将电网结构薄弱却风能资源丰富区域的风能转化为电能输送到电能需求量大而风能资源贫乏的区域。本文主要从以下几个方面对并网型风力发电系统进行了研究。1.建立了风机的空气动力学模型。基于叶素动量法对风机的桨叶部分进行空气动力学建模,通过建立的桨叶空气动力学模型,从机理上阐述了风机失速控制的原理。根据风速的统计学数据,建立了风速的模型,为风电系统相关部分的设计仿真提供了依据。建立了风机传动系统的模型,针对不同的研究重点,分别建立了风机传动系统的刚性模型与柔性模型。2.建立了风机的电磁学模型。通过对目前广泛用于并网型风机中的双馈感应电机进行分析,建立了双馈感应电机的电压、磁链在三相静止坐标系和同步旋转坐标系下的模型。根据双馈感应电机的特点,对双馈感应电机的磁链进行定向,简化了双馈感应电机的电磁学模型。建立了双馈感应电机并网接口—双向PWM变频器的动态模型,相对于其他文献所建立的模型,本文所建立的模型考虑了直流环节的动态特性。3.针对现代风电渗透率逐渐增大,风电在电力系统功率调节方面起着越来越积极作用的特点,创新性地提出将网络化控制系统引入现代风电并网运行控制与调度中,建立了风电并网运行的网络化控制系统模型。针对电网需要风电场运行于向下功率调节模式以限制风电的注入功率这一运行状况,设计了针对网络诱导时延具有时变、不确定、有上界特点的网络化鲁棒控制器,通过求解线性矩阵不等式获取网络化鲁棒控制器。通过数值仿真验证了所设计鲁棒控制器的有效性。4.通过对风电并网过程的网络模型分析,建立了考虑负荷模型在内的风电并网模型。从电力系统稳定性的角度出发,通过对所建立的风电并网模型的分析,指出当风电向电网注入功率在某一范围内时电力系统会产生混沌现象,必须对并网过程中的混沌现象进行抑制。由于风电并网模型具有非线性、强耦合不便于设计控制策略对混沌现象进行抑制和模糊双曲正切模型具有万能逼近性的特点,本文创新性地提出利用模糊双曲正切模型去逼近风电并网模型以简化控制系统的分析与综合。根据系统辨识结果得到模糊双曲正切模型,基于智能控制理论设计控制器对系统混沌现象进行抑制,获得了风电并网过程保证电网稳定时风电向电网注入功率的范围,具有较大的实际价值。通过数值仿真,验证了所设计控制器的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 风力发电概述
• 1.2.1 国内外风力发电现状
• 1.2.2 风力发电机原理
• 1.2.3 风力发电机控制方法
• 1.3 风力发电关键技术研究现状
• 1.3.1 风力发电并网技术研究现状
• 1.3.2 风力发电低电压穿越技术研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本文创新点
• 第2章 并网型风力发电系统空气动力学建模
• 2.1 基于叶素动量法的风机桨叶建模
• 2.1.1 翼型基本参数
• 2.1.2 贝兹理论
• 2.1.3 基于叶素动量理论风机桨叶建模
• 2.2 风速建模
• 2.2.1 基本风
• 2.2.2 阵风
• 2.2.3 渐变风
• 2.2.4 随机风
• 2.3 传动系统建模
• 2.3.1 风机变速运行原理
• 2.3.2 风机变速运行理论基础
• 2.3.3 传动系统建模
• 2.4 本章小结
• 第3章 并网型风力发电系统电磁学建模
• 3.1 双馈感应电机基础知识
• 3.1.1 双馈感应电机并网结构
• 3.1.2 双馈感应电机工作原理与等效电路
• 3.2 双馈感应电机电磁学建模
• 3.2.1 在三相静止坐标系下模型
• 3.2.2 在两相旋转坐标系下模型
• 3.2.3 磁场定向后的双馈感应电机模型
• 3.3 双馈感应电机并网接口建模
• 3.3.1 电网侧变流器建模
• 3.3.2 直流滤波环节的建模
• 3.3.3 转子侧变流器建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 并网型风力发电系统网络控制方法研究
• 4.1 电力系统网络化控制基础
• 4.1.1 问题的研究背景与提出
• 4.1.2 电力系统网络化控制研究意义与研究热点
• 4.2 网络化控制系统的建模
• 4.2.1 网络化控制系统节点驱动方式分析
• 4.2.2 考虑系统时延的网络化控制系统的建模
• 4.3 风机的网络化鲁棒控制方法设计
• 4.3.1 并网型风机的网络化控制模型
• 4.3.2 并网型风机的网络化鲁棒控制器设计
• 4.4 数值仿真
• 4.4.1 网络诱导时延取上界时系统仿真
• 4.4.2 无网络诱导时延时系统仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 风电并网过程混沌现象及抑制
• 5.1 电力系统混沌基础
• 5.1.1 问题的研究背景与提出
• 5.1.2 混沌基本概念
• 5.2 风电并网混沌现象
• 5.2.1 风电并网网络模型
• 5.2.2 发电机模型
• 5.2.3 负荷模型
• 5.2.4 网络模型
• 5.2.5 风电并网系统模型
• 5.2.6 数值仿真
• 5.3 风电并网混沌现象抑制
• 5.3.1 模糊双曲正切模型基础
• 5.3.2 基于模糊双曲正切模型的风电并网过程混沌现象抑制
• 5.3.3 数值仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间所做工作及所获奖励