考虑空气动力学影响的风电场最大出力控制研究

摘要

能源危机、环境问题和风力发电各项技术的改善促进了风电的大规模并网运行，风电在能源结构中将会占据重要地位。尾流效应在大规模风电场中对输出功率产生的影响不容忽视，传统的最大风能捕获方案难以实现风电场的出力最优。为了提高风能开发的利用率与风力发电的经济效益，需要对考虑空气动力学的影响，对当前的风机控制系统进行研究，协调优化风电机组的有功功率输出，实现风电场最大出力控制。本文的主要研究内容如下:
　　首先，研究了叶轮空气动力学建模理论，基于叶素动量理论推导了理想风机的风能转换过程，分析了轴向诱导因子与风机有功输出的关系，并探讨建立了一维线性尾流模型，结合组合风速模型和风电场模型，分析了不同风速风向条件下尾流效应对风电场有功出力的影响。
　　其次，依据合作博弈理论，以风电场内所有风电机组作为博弈参与者，以风电机组有功出力为收益函数，建立风电场最大出力合作博弈模型并采用分布式学习算法进行求解。在合作博弈模式下，风电场输出功率得到显著提升，且算法具有良好的收敛性和稳定性，同样适用于故障场景下的仿真。
　　最后，提出了考虑尾流效应的风电场最大出力优化控制方案。介绍了传统风电场风机控制流程和有功调度方法，在此基础上提出考虑尾流效应的风电场最大出力优化控制方案的基本思想和总体架构，采用功率优化分配策略实现。策略以风电机组有功出力之和最大为优化目标，基于内点法协调优化风电机组有功功率控制参考值。通过不同工作模式和风能条件的场景验证了所提方案的有效性。
　　本文的研究以空气动力学建模理论为基础，分析了尾流效应对风电场功率输出的影响，并提出一种考虑尾流效应影响的风电场最大出力优化控制方案，为风电场降低尾流效应影响，提高风能利用率，增加发电量和经济效益提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 风电机组最大风能捕获研究现状

1．2．2 尾流效应对风电场输出功率的影响研究现状

1．2．3 风电场最大出力研究现状

1．3 本文主要研究工作

第二章 风电场空气动力学建模

2．1 引言

2．2 叶轮空气动力学建模理论

2．2．1 叶素理论

2．2．2 动量理论

2．2．3 轴向诱导因子

2．3 尾流模型

2．3．1 典型尾流模型

2．3．2 尾流遮挡模型

2．4 尾流效应对风电场有功输出影响的仿真分析

2．4．1 风速模型

2．4．2 风电场模型

2．4．3 输出特性

2．5 小结

第三章 基于博弈论的风电场无模型最大出力优化控制

3．1 引言

3．2 博弈论及其在风电场中的应用

3．2．1 博弈论思想

3．2．2 博弈论在风电场中的应用

3．2．3 合作博弈

3．3 基于博弈论的风电场最大出力优化控制

3．3．1 条件假设

3．3．2 风电场最大出力合作博弈模型

3．3．3 算法流程

3．4 算例分析

3．4．1 算例数据

3．4．2 结果分析

3．5 小结

第四章 考虑尾流效应的风电场最大出力优化控制方案

4．1 引言

4．2 风电场最大出力优化控制基本思想

4．2．1 总体架构

4．2．2 风电机组功率控制模型

4．2．3 风机最大出力优化控制模式

4．2．4 风机调度出力控制模式

4．3 风电场最大出力功率优化分配方案

4．3．1 优化控制目标函数

4．3．2 优化控制约束条件

4．3．3 内点优化算法

4．4 算例分析

4．4．1 算例1：16机风电场系统

4．4．2 算例2：江苏某海上风电场系统

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 论文研究工作总结

5．2 对后续工作的展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间科研成果