大惯量风力发电系统全风况优化控制研究

摘要

大力开发和利用以风电为代表的新能源，是破解当今时代能源环境问题的重要手段之一。然而，风能的随机性和间歇性为风电的安全高效利用带来挑战。一方面，风电出力的有限可控性不利于电网的安全稳定运行;另一方面，弃风和以抑制出力波动为代表的电网友好性要求对风电运营的经济、环境效益造成负面影响。随着风电机组额定容量的增大，风电机组大转动惯量特性使得运行效益与电网友好性的矛盾更加突出，系统控制难度更大。因此，针对不同风况环境，研究大惯量风电机组控制系统的优化问题，对于全面提高风电机组控制性能，兼顾风力发电的经济、环境效益和电网友好性，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　提出了大惯量风力发电系统全风况灵活控制框架，从风速幅值和风速波动性两个角度着手，设计和验证了相应的优化控制解决方案。在额定风速以下区间有效兼顾风能利用效率和功率波动性的平衡;在额定风速附近及以上区间，抑制输出功率波动性和机械载荷。论文的主要工作如下:
　　1、基于通用的风力发电系统数学模型，分析风电机组的转动惯量特性，包括转速特性以及转动惯量与风能利用效率、功率波动性关系:引入Gap metric理论提出风力发电系统非线性度量方法;基于系统特性分析，提出大惯量风力发电系统全风况灵活控制框架。
　　2、在额定风速以下运行区间，分析转动惯量对传统最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略暂态过程的影响，通过设计电磁转矩补偿框架和动态梯度估计器，有效提高系统动态特性，优化MPPT风能利用效率。引入T-S模糊推理系统，提出计及波动性抑制的MPPT效率优化策略，并基于小信号模型分析方法，验证了控制系统稳定性和动态特性。
　　3、基于本文电磁转矩补偿框架，设计多目标权重自适应的模型预测控制策略，动态平衡大转动惯量引起的风能利用效率与功率波动性矛盾，并理论验证了控制器的稳定性和动态特性。同经典预测控制相比，该控制策略具有更好的稳定性。
　　4、在额定风速以上区间，利用大惯量风电机组的转速特性，设计了基于半自由工况点的模型预测控制器，将传统定转速稳态工况点松弛为半自由稳态工况点集合，减少变桨动作，有效抑制出力波动性和机械载荷。提出控制时域非均匀分块化策略，降低在线优化问题规模，提高模型预测控制器单次循环内的求解速度。
　　5、针对风电机组在额定风速附近的过渡区间存在功率跃变等问题，提出了基于事件驱动的无扰切换控制策略。定义了风速上穿越事件和下穿越事件，在额定风速附近建立动态过渡区域，风电机组在过渡区域按照动态向量轨迹平滑过渡到目标区域，实现控制系统在额定风速以上和以下区间切换暂态中的功率平滑输出。并通过理论分析验证了系统在切换过渡区域具有良好的稳定性和动态特性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 风力发电系统概述

1．3 国内外研究现状

1．3．1 额定风速以下区间的控制研究现状

1．3．2 额定风速以上区间的控制研究现状

1．3．3 过渡区间的切换控制研究现状

1．4 本文的主要工作

第2章 风力发电系统建模与特性分析

2．1 引言

2．2 风力发电过程建模

2．2．1 风速序列模型

2．2．2 气动系统模型

2．2．3 传动系统模型

2．2．4 变桨距系统模型

2．2．5 发电机模型

2．3 风力发电系统大惯量特性分析

2．3．1 转速特性

2．3．2 转动惯量与风能利用效率、波动性关系分析

2．4 风力发电系统非线性度分析

2．4．1 Gap metric理论

2．4．2 风力发电系统非线性度分析

2．5 风力发电系统多模式灵活控制框架

2．6 本章小结

第3章 计及波动性抑制的大惯量风机风能利用效率优化

3．1 引言

3．2 传统MPPT策略暂态过程分析

3．2．1 经典OTC原理

3．2．2 经典OTC暂态过程分析

3．3．1 改进OTC-MPPT策略的整体思路

3．3．2 最优转矩补偿器设计

3．3．3 小信号模型分析

3．4 基于T-S模糊的变补偿增益波动性抑制策略

3．4．1 变补偿增益的波动性抑制策略原理

3．4．2 控制系统特性分析

3．4．3 T-S模糊推理系统的设计

3．5 对比仿真实例

3．5．1 仿真结果1：采用动态梯度估计的效率优化方法

3．5．2 仿真结果2：基于T-S模糊的变补偿增益波动性抑制策略

3．6 本章小结

第4章 基于模型预测的多目标灵活控制

4．1 引言

4．2 基于模型预测的多目标灵活控制原理

4．3 状态空间方程的建立

4．4 性能指标与约束条件

4．5 多目标权重系数自适应方法

4．6 稳定性分析

4．7 对比仿真实例

4．7．1 仿真一：兼顾功率平滑的高效率MPPT模式

4．7．2 仿真二：平滑MPPT模式

4．7．3 仿真三：权重系数自适应策略

4．7．4 仿真时间

4．8 本章小结

第5章 基于半自由工况点的模型预测恒功率控制

5．1 引言

5．2 基于半自由工况点的模型预测控制框架

5．2．1 模型预测控制原理

5．2．2 模型预测控制结构

5．3 线性化模型与二次型性能指标

5．3．1 线性化模型

5．3．2 二次型性能指标

5．4 半自由工况点集合的选择

5．5 基于分块策略的二次型优化求解

5．6 对比仿真实例

5．6．1 仿真一：风速仿真

5．6．2 仿真二：随机风速

5．6．3 寻优时间验证

5．7 本章小结

第6章 基于事件驱动的无扰切换控制

6．1 引言

6．2 无扰切换控制结构

6．3 切换暂态特性分析

6．4 基于事件驱动的无扰切换控制

6．4．1 风速上穿越事件响应

6．4．2 风速下穿越事件晌应

6．5 稳定性与动态特性分析

6．6 仿真实例

6．6．1 场景一：风速单次阶跃变化

6．6．2 场景二：风速连续阶跃变化

6．6．3 场景三：随机风速

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要研究成果及创新点

7．2 未来研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介