大型风电机组变桨距控制策略研究

【摘要】：为了实现可持续发展,我国正在大力开发清洁能源,由此,风电产业得到快速发展。风电技术是风电产业的核心,其中,功率控制和减小不平衡载荷成为风电机组大型化的关键技术。本文对国产大型风力发电机组(SUT-3000)的整机变桨距控制策略进行研究。在分析变桨距控制基本规律的基础上,提出了以功率控制为主要目标的统一变桨距控制(CPC)和以减小不平衡载荷为主要目标的独立变桨距控制(IPC)的策略和实现方法。 首先,针对风电系统输出功率的稳定性受风速随机不确定性影响的问题,提出基于径向基函数(RBF)神经网络自整定PID的统一变桨距控制方案。建立了风机及变桨距机构数学模型。在风速高于额定风速的情况下,用RBF神经网络来实时调整PID变桨距控制器的参数。根据风速的变化调整桨叶桨距角,从而调节发电机的输出功率使风电机组的输出功率稳定在额定值附近。仿真结果表明,基于RBF神经网络自整定PID的电动变桨距控制方案比传统PID变桨距控制方案输出功率更稳定,系统具有超调量小、鲁棒性较强等优点。 其次,针对传统独立变桨距控制无法在高频段减小载荷及风速建模复杂的问题,提出了基于前馈-反馈结构的多变量LQG最优独立变桨距控制策略。本文所设计的多变量控制器由最优线性二次高斯函数(LQG)控制器和基于风速信号估计的前馈扰动补偿控制器组成。前馈控制器侧重于补偿风速低频分量对风轮力矩的影响。风速估计采用基于简单而有效的随机游走模型,避免了建立复杂的风速模型。有效风速的俯仰方向和偏航方向分量用随机游走模型来近似。通过仿真对该方法与采用不同模型的传统独立变桨距控制方法进行对比。结果表明：两种独立桨距控制都能够减小不平衡载荷的影响,多变量LQG最优独立变桨距控制策略的减载效果更好,而且,可实现高频段减载,因此更适合于大型风力发电机组的桨距控制。 最后,完成了3 MW电动变桨距半实物数字综合仿真平台设计与实验工作。半实物仿真平台中风电机组运行控制系统、电动变桨距执行机构、传感系统都是实物,而其它如风轮、塔架、发电机等都用仿真软件来模拟,整个半实物仿真实验台相当于台变桨距风机。对统一变桨和独立变桨控制策略实施的有效性进行了验证。实验结果表明,所设计的控制方案能满足控制要求,理论和仿真研究是正确的、可行的和有效的。 【关键词】：风电机组 变桨距控制 RBF神经网络 多变量LQG控制 前馈-反馈结构
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 符号列表12-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 研究课题的背景及意义14-15
• 1.2 国内外风电的发展15-16
• 1.3 国内外风力发电技术的发展16-18
• 1.4 大型风力发电机组变桨距控制所面临的问题18
• 1.5 风力发电系统变桨距控制方法综述18-25
• 1.5.1 风力发电机组桨距控制方法18-20
• 1.5.2 风力发电机组变桨距控制研究现状20-25
• 1.5 课题研究的主要内容25-27
• 第二章 风电机组的基本理论与变桨距系统27-40
• 2.1 空气动力学原理27-31
• 2.1.1 叶素理论27-28
• 2.1.2 风能计算28
• 2.1.3 风能利用系数与贝兹理论28-31
• 2.2 风速特性分析31-33
• 2.2.1 风切变效应31-32
• 2.2.2 塔影效应32-33
• 2.3 变桨距风力机组的运行状态33-34
• 2.3.1 启动状态33-34
• 2.3.2 欠功率状态34
• 2.3.3 额定功率状态34
• 2.4 变桨距系统的原理与结构34-38
• 2.4.1 变桨距调节原理34-36
• 2.4.2 变桨距系统分类36-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 基于RBF神经网络自整定PID统一变桨距控制策略研究40-58
• 3.1 双馈型风力发电机组的模型40-45
• 3.1.1 风轮气动特性模型40-42
• 3.1.2 传动链模型42-43
• 3.1.3 双馈型风力发电机模型43
• 3.1.4 电动变桨距伺服系统模型43-44
• 3.1.5 风速模型44-45
• 3.2 基于RBF神经网络参数自整定PID电动变桨距控制45-51
• 3.2.1 统一变桨距功率控制45
• 3.2.2 PID变桨距控制45-46
• 3.2.3 RBFNN PID变桨距控制46-51
• 3.3 仿真结果及分析51-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 多变量LQG最优独立变桨距控制策略研究58-86
• 4.1 多变量LQG控制策略58-61
• 4.2 前馈—反馈控制结构61-65
• 4.2.1 前馈控制61-63
• 4.2.2 LQG反馈控制63-65
• 4.3 独立变桨距风电机组模型分析65-71
• 4.3.1 线性化空气动力学变换66-67
• 4.3.2 周期线性模型67-68
• 4.3.3 Coleman变换68-69
• 4.3.4 线性定常系统模型69-71
• 4.4 风速模型辨识71-74
• 4.4.1 随机游走过程72-73
• 4.4.2 运用随机游走技术估算风机模型73-74
• 4.5 独立变桨距风电机组的多变量控制74-79
• 4.5.1 LQG最优状态反馈控制器设计74-75
• 4.5.2 前馈风速扰动抑制75-77
• 4.5.3 带卡尔曼滤波器的前馈-反馈LQG最优控制77-79
• 4.6 仿真结果及分析79-85
• 4.6.1 时域仿真结果及分析79-84
• 4.6.2 频率响应结果及分析84-85
• 4.7 本章小结85-86
• 第五章 风机电动变桨距系统设计及半实物仿真实验研究86-100
• 5.1 电动变桨距控制系统设计86-88
• 5.2 变桨距驱动力计算88-91
• 5.3 半实物仿真平台设计91-92
• 5.4 半实物仿真实验台实验分析92-99
• 5.4.1 坐标系说明92-94
• 5.4.2 实验结果及分析94-99
• 5.5 本章小结99-100
• 第六章 结论100-102
• 参考文献102-108
• 附录 3MW双馈风力发电机组参数108-109
• 在学研究成果109-111
• 致谢111

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