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大型并网风力发电机组控制算法研究

叶杭冶  
【摘要】: 本文的研究目标是为大型并网风力发电机组建立一种以获取最大能量转换效率为目的的控制算法,该算法同时兼顾到控制过程良好的动态特性与稳定性,并将机组结构在风力作用下引起的动力学问题及其疲劳影响程度减到最低。 根据风力机的能量转换特性,风力机叶轮转速与风速必须保持在某个恒定的速比上,即风力机的转速必须跟随风速的变化,才能获得最大能量转换效率。要实现这一目标,必须解决两个问题,第一个问题是在作为原动力的风速随机变化的情况下,如何控制风力机转速使之能够跟随风速变化。第二个问题是如何实现发电机在变速运行时恒频输出。交-直-交全功率变频技术和交流励磁变速恒频技术的发展,为同步或异步发电机在变速运行时恒频输出提供了强有力的技术支撑,使大型并网运行的风力发电机组由定桨距恒速运行方式向变速恒频运行方式转变成为可能。但在解决风力发电机转速跟随风速变化的控制技术方面,尚有大量的理论与技术问题需要探索。 本文首先对风力机的基本工作原理及其能量转换特性进行详细的理论分析,对变速变桨风力发电机组各风速段的运行特性进行了实验研究与分析,提出了在低于额定风速时,通过对发电机转矩控制实现对最佳转速曲线跟踪的基本策略;提出了在高于额定风速时通过控制桨叶节距配合发电机转矩控制来稳定最大功率输出的策略;讨论了变速与变桨距两种控制策略的相互耦合关系;介绍了控制算法的实现过程及在该控制算法影响下风电机组主要部件包括叶轮、传动系统和塔架的各阶振动模态以及它们之间的相互影响力;在此基础上提出了转矩控制对传动系统扭转振动和桨距控制对塔架前后振动的影响力及控制方案;应用BLADED和MATLAB软件对主要控制环节进行设计及参数调整,并对完整的控制算法进行了仿真研究。 由于空气动力学的不确定性,常规PID控制方法所跟踪的理论最佳曲线有一定的局限性。本文在上述研究的基础上提出了基于模糊逻辑控制的智能方法:用模糊逻辑解决风力机叶轮转速在跟踪风速变化时的控制问题,并用类似的方法改善发电机在变速运行时的工作效率。通过仿真和模拟试验,证明了智能方法的可用性。 论文最后对基于观测器的风力机关键机械部件的故障监测进行了探讨,利用支持向量回归(SVR)模型辨识建立风力机整机及其关键机械部件的观测器。通过变桨距风力机半物理仿真试验表明,通过观测器可以判断出机组是否出现故障,并且由各个部件的观测器能进一步确定故障发生源。以完善控制系统功能,提高机组运行的可靠性。


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