變速定槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，開發(fā)和利用綠色可再生能源已經(jīng)成為世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電作為其中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，因?yàn)橘Y源豐富和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的重點(diǎn)。我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，許多關(guān)鍵技術(shù)仍被國(guó)外的風(fēng)電強(qiáng)國(guó)所壟斷。因此，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有重要的意義。本文就是在這樣的大環(huán)境下，受到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的資助，對(duì)變速定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

2、及其控制技術(shù)展開研究，希望使其能夠達(dá)到變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效果，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化機(jī)組結(jié)構(gòu)，提高可靠性，降低開發(fā)和維護(hù)成本的目的。
　　 本文首先建立了一套完整的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由風(fēng)力機(jī)(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)來替代)、永磁同步發(fā)電機(jī)、二極管不控整流器、DC/DC變換器、模擬負(fù)載以及相關(guān)的控制系統(tǒng)等組成。針對(duì)采用二極管不控整流的變速定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，巧妙地將其劃分為機(jī)械和電氣兩個(gè)子系統(tǒng)，并分別采用理論分析和模型辨識(shí)的手段，建立了系統(tǒng)

3、完整的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)機(jī)組的數(shù)學(xué)模型展開分析，掌握了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在全風(fēng)速范圍內(nèi)的工作特性，為文章后續(xù)研究的開展奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 接著，對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)展開了深入研究，詳細(xì)地討論了風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的動(dòng)、靜特性模擬方法。對(duì)基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了建模和分析，提出了一種可行的簡(jiǎn)化模型，并對(duì)簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償支路的工作原理和頻域特性進(jìn)行了深入分析，指出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償支路中的低通濾波環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的性能具有很大的影響。并以一階

4、低通濾波器為例，對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和濾波時(shí)間常數(shù)之間的聯(lián)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，揭示了兩者之間的內(nèi)在關(guān)系，為指導(dǎo)模擬系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。最后針對(duì)文中所用的實(shí)際風(fēng)力機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文所采用的方法和相關(guān)的理論分析是正確的、可行的，所提出的控制方法具有普遍適用性。
　　 隨后，研究了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤(MPPT)控制技術(shù)。在分析了現(xiàn)有MPPT控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種功率反饋MPPT控制策略，對(duì)其

5、可行性和工作原理進(jìn)行了深入分析。并進(jìn)一步引入了氣動(dòng)功率觀測(cè)技術(shù)，將功率反饋MPPT控制策略細(xì)分為輸出功率反饋和氣動(dòng)功率反饋兩種。詳細(xì)地比較了兩種MPPT控制策略的工作原理和跟蹤特性，指出后者的MPPT跟蹤性能要明顯優(yōu)于前者，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該論點(diǎn)的正確性。
　　 結(jié)合變速定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的特點(diǎn)，提出了三種全風(fēng)速控制策略，有效地解決了變速定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同工作模式之間的過渡問題。其中，基于氣動(dòng)功率反饋MPPT控制發(fā)展而來的第

6、三種全風(fēng)速控制策略具有最優(yōu)的綜合性能，僅僅使用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器就解決了機(jī)組三種工作模式的有效控制和平滑過渡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。隨后，就該方法在額定風(fēng)速以上的功率過載問題，引入了軟失速控制概念，并提出了一種新的軟失速控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的軟失速控制技術(shù)可以保證在基本不損失年發(fā)電量的情況下克服動(dòng)態(tài)功率過載問題，進(jìn)一步提高了變速定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作性能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
　　 鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種高度時(shí)變的、非線性的復(fù)

7、雜系統(tǒng)，固定參數(shù)的常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以得到理想的控制性能。為此，本文還對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制技術(shù)展開了研究，旨在改善機(jī)組的控制效果，主要涉及兩種控制技術(shù)：1)模糊控制技術(shù)：分析了模糊控制器的基本工作原理和數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種比例因子自適應(yīng)PI型模糊控制器，兼顧了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。2)單神經(jīng)元PID控制技術(shù)：提出了一種模糊單神經(jīng)元PID控制器，采用模糊控制器對(duì)單神經(jīng)元PID控制器的輸出比例因子進(jìn)行在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到