兆瓦级直驱永磁风力发电机组功率优化问题的研究

论文摘要

随着风电占电网的比重不断增加，电网对风电提出更高的需求，动态时风电系统为电网提供足够的能量支撑，稳态时要求其输出功率足够平稳。因此，对风电系统输出功率的控制显得越来越重要，功率优化控制已经成为大型风电机组的研究热点。在这样的背景下，本毕业论文以国家自然科学基金“考虑非线性不确定因素的风电机组动态载荷控制策略研究”(项目编号:51207095)课题为依托，以直驱永磁风电机组为对象，对风力发电系统的输出功率控制策略进行了深入的研究。目的是额定风速以下提高能量转换效率，额定风速以上稳定输出功率及抑制功率波动。主要研究工作归纳如下：首先，本文研究了额定风速以下直驱永磁风电机组的功率优化问题的研究。在最佳叶尖速比风能转换理论基础上，深入分析了额定风速下直驱永磁风电机组功率优化存在的问题。在问题分析的基础上，设计了基于耗散系统理论框架的L2范数优化鲁棒速度控制器，该控制器采用动态误差方程构建系统模型，并将系统对干扰的抑制和对风速的跟踪要求归结为L2设计问题。为了求解控制律，应用Lyapunov函数构造存储函数，将系统对性能指标的要求转化为耗散稳定性问题，采用虚拟函数反推法求解控制器。为了克服风速波动对控制器的不良影响，采用扰动观测理论动态观测气动转矩变化，进行精确的前馈补偿，从而大大提高了系统的抗干扰能力，实现了风电机组的最大风能捕获，同时通过实验验证该控制策略的正确性。第二，本文研究了额定风速以上直驱永磁风电机组功率优化问题的研究。首先，在风轮空气动力学和线性化控制理论基础上，深入分析了额定风速以上直驱永磁风电机组的恒功率控制问题。在问题分析的基础上，研究了非线性预测控制策略。将非线性预测控制用于变桨控制中，解决了风轮大惯量时滞问题及前馈补偿风速扰动问题，为了进一步提高预测模型对于参数易变的适应能力，采用泛模型进行预测模型参数优化设计，提高了预测模型的准确性及鲁棒性，大大降低了控制器参数设计的工作量。推导了基于泛模型的非线性预测控制策略的控制律。最后，通过仿真实验验证该控制策略的正确性。第三，本文研究了额定风速以上直驱永磁风电机组的功率波动问题的研究。首先，在风轮空气动力学和变桨控制理论基础上，深入分析了额定风速以上直驱永磁风电机组的功率波动问题。在问题分析的基础上，应用泛模型理论和风轮空气动力学，研究了风轮载荷计算模型及功率波动变化趋势，推导出功率波动变化趋势模型，设计设计了一种特殊的独立变桨控制策略，该独立变桨控制解耦为统一变桨控制和摆振载荷偏差变桨控制，一方面，统一变桨控制采用第四章的基于泛模型的非线性预测控制，该控制策略维持风力机输出功率为额定值基本不变；另一方面，摆振载荷偏差变桨控制采用基于叶根摆振载荷变换桨距角反馈的泛模型控制策略。该控制策略通过实时检测每个叶片的叶根摆振载荷，以实测值与给定值的偏差此来反映叶片因风速变化引起的不平衡摆振载荷，利用泛模型理论建立的动态模型，将叶根摆振载荷偏差值变换为桨距角反馈调节量，对桨叶进行单独控制。控制的主要目标是实时跟踪响应风速的变化，通过桨距角反馈调节，减小由风切变、塔影效应对机组造成的不平衡载荷，从而抑制机组输出功率的波动。最后，本文就直驱永磁风电机组的功率优化控制策略进行了实验研究。为了验证上述直驱永磁风电机组功率优化控制策略的正确性，构建了基于硬件在环方式的直驱永磁风电机组半实物仿真实验平台。对以上用于直驱永磁风电机组的功率优化控制方法进行了基于该平台的半实物仿真实验，实验结果进一步验证了本文提出的功率优化控制策略的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号列表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和选题意义
• 1.1.1 风力发电产业的发展现状
• 1.1.2 风力发电技术的发展趋势
• 1.1.3 选题意义及课题来源
• 1.2 直驱永磁风电机组特点与功率优化控制研究现状
• 1.2.1 直驱永磁风电机组的特点及存在问题
• 1.2.2 直驱永磁同步风力发电机组功率优化控制的研究现状
• 1.3 论文的主要内容
• 第二章 直驱永磁风电机组数学模型研究
• 2.1 直驱式永磁风电系统的主要部件及结构
• 2.2 直驱风力机的空气动力特性及其数学模型
• 2.2.1 动态风速数学模型
• 2.2.2 风力机模型
• 2.2.3 风剪和塔影效应对风力机转矩的影响
• 2.3 永磁同步发电机模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 额定风速下直驱永磁风电机组功率优化控制研究
• 3.1 问题描述与分析
• 3.2 理论分析
• 3.3 基于耗散理论的非线性鲁棒控制器设计
• 3.3.1 直驱永磁风电机组数学模型
• 3.3.2 速度控制器设计
• 3.3.3 速度控制器的 L2问题
• 3.4 转矩观测器的设计
• 3.5 仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 额定风速上直驱永磁风电机组功率优化控制研究
• 4.1 问题分析与描述
• 4.2 理论分析
• 4.3 基于桨距角的恒功率控制原理
• 4.3.1 基于桨距角的恒功率控制思想
• 4.3.2 基于桨距角恒功率预测控制基本原理
• 4.3.3 基于桨距角恒功率运行分析
• 4.4 基于桨距角恒功率优化控制策略研究
• 4.4.1 基于泛模型的预测控制基本原理
• 4.4.2 基于泛模型的预测控制器设计
• 4.4.3 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 直驱永磁风电机组功率波动优化控制研究
• 5.1 问题分析与描述
• 5.2 功率波动优化控制原理
• 5.2.1 风轮载荷计算模型
• 5.2.2 泛模型控制器设计
• 5.2.3 功率波动运行规律分析
• 5.3 功率波动优化控制策略研究
• 5.3.1 基于泛模型的功率波动优化控制策略
• 5.3.2 控制器性能分析
• 5.3.3 仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 直驱永磁风力发电系统功率优化控制试验研究
• 6.1 直驱永磁风力发电系统半实物实验平台构建
• 6.1.1 直驱永磁风力发电系统半实物实验平台构成
• 6.1.2 直驱永磁风力发电半实物实验平台工作原理
• 6.2 直驱永磁风电机组功率优化控制策略实验研究
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢