變速定槳風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術研究.pdf

1、隨著能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，開發(fā)和利用綠色可再生能源已經成為世界各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。風力發(fā)電作為其中發(fā)展最為迅速的技術之一，因為資源豐富和技術優(yōu)勢，成為當前國內外研究和發(fā)展的重點。我國對風力發(fā)電技術的研究起步較晚，技術相對落后，許多關鍵技術仍被國外的風電強國所壟斷。因此，研究具有自主知識產權的風力發(fā)電技術具有重要的意義。本文就是在這樣的大環(huán)境下，受到國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)的資助，對變速定槳風力發(fā)電機組

2、及其控制技術展開研究，希望使其能夠達到變速變槳風力發(fā)電機組的效果，實現(xiàn)簡化機組結構，提高可靠性，降低開發(fā)和維護成本的目的。
　　 本文首先建立了一套完整的風力發(fā)電實驗平臺，由風力機(實驗室內由風力機模擬系統(tǒng)來替代)、永磁同步發(fā)電機、二極管不控整流器、DC/DC變換器、模擬負載以及相關的控制系統(tǒng)等組成。針對采用二極管不控整流的變速定槳風力發(fā)電機組，巧妙地將其劃分為機械和電氣兩個子系統(tǒng)，并分別采用理論分析和模型辨識的手段，建立了系統(tǒng)

3、完整的數(shù)學模型。通過對機組的數(shù)學模型展開分析，掌握了變速風力發(fā)電機組在全風速范圍內的工作特性，為文章后續(xù)研究的開展奠定了理論基礎。
　　 接著，對風力機模擬技術展開了深入研究，詳細地討論了風力機模擬系統(tǒng)的動、靜特性模擬方法。對基于永磁同步電動機的風力機模擬系統(tǒng)進行了建模和分析，提出了一種可行的簡化模型，并對簡化后的動態(tài)補償支路的工作原理和頻域特性進行了深入分析，指出動態(tài)補償支路中的低通濾波環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的性能具有很大的影響。并以一階

4、低通濾波器為例，對系統(tǒng)的轉動慣量和濾波時間常數(shù)之間的聯(lián)系進行了詳細分析，揭示了兩者之間的內在關系，為指導模擬系統(tǒng)的工程實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。最后針對文中所用的實際風力機，對其進行了實驗驗證，實驗結果證明本文所采用的方法和相關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，研究了變速風力發(fā)電機組的最大功率跟蹤(MPPT)控制技術。在分析了現(xiàn)有MPPT控制技術的基礎上，提出了一種功率反饋MPPT控制策略，對其

5、可行性和工作原理進行了深入分析。并進一步引入了氣動功率觀測技術，將功率反饋MPPT控制策略細分為輸出功率反饋和氣動功率反饋兩種。詳細地比較了兩種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，實驗結果驗證了該論點的正確性。
　　 結合變速定槳風力發(fā)電機組自身的特點，提出了三種全風速控制策略，有效地解決了變速定槳風力發(fā)電機組在不同工作模式之間的過渡問題。其中，基于氣動功率反饋MPPT控制發(fā)展而來的第

6、三種全風速控制策略具有最優(yōu)的綜合性能，僅僅使用了兩個調節(jié)器就解決了機組三種工作模式的有效控制和平滑過渡，結構簡單、可靠性高。隨后，就該方法在額定風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。實驗結果證明本文提出的軟失速控制技術可以保證在基本不損失年發(fā)電量的情況下克服動態(tài)功率過載問題，進一步提高了變速定槳風力發(fā)電機組的工作性能，具有很好的應用價值。
　　 鑒于風力發(fā)電機組是一種高度時變的、非線性的復

7、雜系統(tǒng)，固定參數(shù)的常規(guī)PID調節(jié)器難以得到理想的控制性能。為此，本文還對風力發(fā)電機組的智能控制技術展開了研究，旨在改善機組的控制效果，主要涉及兩種控制技術：1)模糊控制技術：分析了模糊控制器的基本工作原理和數(shù)字實現(xiàn)方法，并在此基礎上提出了一種比例因子自適應PI型模糊控制器，兼顧了系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。2)單神經元PID控制技術：提出了一種模糊單神經元PID控制器，采用模糊控制器對單神經元PID控制器的輸出比例因子進行在線自適應調節(jié)，達到