电网友好型机组变桨距控制技术研究

论文摘要

随着风机装机容量的不断扩大,越来越多的机组并入电网运行,旨在解决并网运行时如何适应电网变化及需求的电网友好型机组成为了当今研究热点。兆瓦级直驱型风电系统因其大容量、高可靠性、高效率、输出功率稳定、寿命长、并网潜力大等特点将成为电网友好型机组的主力军。变桨距控制作为机组功率调节的核心环节之一,其优劣直接决定机组并网能力的高低。本文以兆瓦级直驱型风电机组为研究对象,以提高机组并网能力为目标,深入研究了机组变桨距控制及其策略问题,针对机组并网能力有限,提出了一种支持低电压穿越的变桨距控制策略。在此基础上,针对现有控制系统软件结构局限性,提出了一种基于多级状态机的变桨距控制软件设计方法。为了验证控制目标的正确性及控制策略的有效性,文中利用MATLAB构建了含兆瓦级直驱风电机组及电网的仿真系统模型,并对各种情况进行了仿真分析。为了验证控制软件的正确性,设计实现了基于嵌入式系统的变桨距控制软件综合测试平台,对控制软件的性能进行了验证。本文的具体工作表现在:分析了兆瓦级直驱风电机组的整体结构及特点,利用MATLAB建立了系统各部分的数学模型,并仿真分析了机组正常运行时各参数变化的特点,验证了模型的正确性。针对兆瓦级直驱风电机组变桨距系统的运行状态特点,研究了该类机组下变桨距的控制目标和不同风况下的基本控制策略,着重研究了电网故障时在保证机组安全运行的条件下分析不同电压状况下的变桨距控制目标,并提出了支持低电压穿越的变桨距控制策略,利用MATLAB所建立的机组模型分析验证了策略的可行性。针对变桨距控制软件现有的单机局限性及顺序控制流缺陷,在分析机组主控制系统软件及特点的基础上,着重研究了变桨距控制系统的硬件和软件结构,提出了基于多级状态机的变桨距控制软件设计方案,增强了软件的可配置性,提高了机组处理外部事件的能力,进而提高了机组的并网能力。文中采用MATLAB Stateflow工具并结合所建立的机组模型对变桨距软件状态机进行了仿真分析验证。针对变桨距控制软件的测试问题,文章给出了变桨距控制软件测试平台的设计,完成了此平台的实现,采用硬件在环测试手段,分别在低风速、高风速、电网故障情况下对变桨距控制软件进行了测试验证,对下一代智能变桨系统的开发具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.2 风力发电机组控制技术的发展
• 1.2.1 国内外风机控制技术研究概况
• 1.2.2 国内外风机控制技术发展趋势
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 风电机组基础及建模
• 2.1 风能系统的空气动力学基础理论
• 2.1.1 动量理论
• 2.1.2 叶素理论
• 2.2 风电机组结构及特点
• 2.3 风电机组建模及仿真
• 2.3.1 风速模型
• 2.3.2 风轮模型
• 2.3.3 传动链模型
• 2.3.4 变桨距执行机构模型
• 2.3.5 永磁同步发电机模型
• 2.3.6 仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 变桨距控制策略研究
• 3.1 主控制策略分析
• 3.1.1 启动并网阶段
• p 恒定区'>3.1.2 C_p恒定区
• 3.1.3 功率恒定区
• 3.1.4 防危区
• 3.2 变桨距控制技术分析
• 3.2.1 变桨距系统的运行状态
• 3.2.2 变桨距控制目标
• 3.2.3 基本变桨距控制策略
• 3.3 支持低电压穿越的变桨距控制策略
• 3.3.1 低电压穿越要求
• 3.3.2 变桨距控制目标分析
• 3.3.3 支持低电压穿越的变桨距控制策略
• 3.3.4 变桨距控制策略仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于层级化状态机的变桨距控制软件设计
• 4.1 主控制系统软件及特点
• 4.2 XE72 型变桨距控制软硬件分析
• 4.2.1 硬件结构
• 4.2.2 软件分析
• 4.3 支持低电压穿越的变桨距控制软件状态机的设计
• 4.3.1 有限状态机及优势
• 4.3.2 XE72 型变桨距控制软件状态机
• 4.3.3 支持低电压穿越的变桨距控制软件层级状态机设计
• 4.3.4 一级状态机设计
• 4.3.5 二级状态机设计
• 4.3.6 层级状态机的跳转
• 4.4 应用设计
• 4.4.1 软硬件开发环境
• 4.4.2 代码生成
• 4.4.3 一致性测试
• 4.4.4 层级状态机跳转测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 变桨距控制软件测试平台设计与实现
• 5.1 软件测试平台设计思想
• 5.2 软件测试平台组成
• 5.2.1 风电机组仿真模型
• 5.2.2 变桨距控制器操作软件
• 5.2.3 电网调度系统软件
• 5.2.4 嵌入式变桨距控制器
• 5.3 测试实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 个人简历及攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目情况