风力发电系统能量优化问题的研究

论文摘要

随着全球能源的紧缺和环保的要求,风力发电机技术得到了世界各国的重视。其中变速变桨距风电系统具有广阔的前景,但由于系统的多参数、强耦合、非仿射非线性等特性,其高效控制成为一个具有挑战性的问题。传统的风电系统能量优化研究着重解决不同风速下单机系统的效率和可靠性问题。随着电网内风电容量的增加,对风电系统的输出能量提出了新的要求,如动态时要求风电系统提供足够的能量支撑;稳态时要求其输出功率足够平稳。这些内容已成为当前风电系统能量优化的研究重点。本文系统地研究了变速变桨距风电系统的动态风能捕获和输出功率水平控制问题,主要的研究工作和创新性成果如下:1.提出了考虑动态性能的最大风能捕获控制策略。迄今,最大风能捕获策略基于稳态寻优的思想,忽略了系统的动态能量捕获。本文基于反馈线性化方法,对风力发电机的输出有功和无功功率进行了解耦控制;利用“零观测器”间接观测系统的动态功率,并对最大风能捕获控制进行动态补偿。该策略提高了系统的全局效率和对电网的动态能量支撑能力。2.提出了一种用于风电系统输出功率水平控制的逆系统方法。针对本质为非仿射型非线性的风电系统,该方法设计了核心为风电系统逆模型的非线性桨距角控制器。与传统线性控制器相比,该方法工程实现非常简单,可以保证较大风速范围内风电系统的稳定性和输出功率水平控制所要求的动态性能,并且对风机参数的小扰动具有一定的鲁棒性。3.提出了一种用于风电系统输出功率水平控制的逆系统鲁棒控制方法。该方法复合了逆系统控制方法和鲁棒补偿方法,与逆系统控制方法相比,该方法在实现系统输出功率水平的控制的同时,对风机参数的大范围扰动以及其它有界不确定性扰动具有较好的鲁棒性。4.构建了基于硬件在环方式的风电系统模拟实验平台。对以上用于风电系统的能量优化控制方法进行了计算机仿真实验和基于该平台的半实物仿真实验。实验结果验证了上述方法的有效性和优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 风电系统的最大风能捕获控制
• 1.2.1 最佳叶尖速比法
• 1.2.2 最优转矩法
• 1.2.3 功率信号反馈法
• 1.2.4 爬山搜索法
• 1.3 风电系统恒功率控制
• 1.3.1 基于线性风机模型的控制方法
• 1.3.2 基于非线性风机模型的控制方法
• 1.4 风电系统的输出功率水平控制
• 1.5 本论文主要工作及内容安排
• 第2章 风电系统的动态最大风能捕获控制
• 2.1 风电系统动态模型
• 2.1.1 双馈发电机动态数学模型
• 2.1.2 风机机械子系统动态数学模型
• 2.2 功率信号反馈法
• 2.2.1 功率信号反馈法控制流程
• 2.2.2 风电系统的功率流分析
• 2.3 非线性系统反馈线性化理论基础
• 2.4 考虑风机动态的最大风能捕获控制
• 2.4.1 定子磁链定向
• 2.4.2 基于反馈线性化的动态解耦
• 2.4.3 动态最大风能追踪控制
• 2.5 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 风电系统输出功率的逆系统控制
• 3.1 系统模型描述及传统桨距角调节方法
• 3.1.1 变桨距风电系统的数学模型
• 3.1.2 传统的PID桨距角控制方法
• 3.2 奇异摄动理论
• 3.3 逆系统方法
• 3.4 逆系统桨距角控制方法
• 3.4.1 逆系统桨距角控制器设计
• 3.4.2 稳定性分析
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 风电系统输出功率的逆系统鲁棒控制
• 4.1 变桨距风电系统的摄动模型
• 4.2 逆系统鲁棒控制方法
• 4.2.1 标称控制器设计
• 4.2.2 鲁棒补偿控制器设计
• 4.2.3 鲁棒稳定性分析
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 逆系统鲁棒控制器的性能考察
• 4.3.2 不同控制器的性能比较
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章附录
• 第5章 风电系统模拟平台的实现和实验结果
• 5.1 实验平台总体结构
• 5.2 实验平台的硬件设计
• 5.3 系统的软件设计
• 5.3.1 模拟风机的控制软件
• 5.3.2 硬件在环仿真软件
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 逆系统控制方法的实验结果
• 5.4.2 逆系统鲁棒控制方法的实验结果
• 5.4.3 几点讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果