海岛中小型独立风电系统可靠运行技术研究

【摘要】：海岛风力发电作为解决海岛居民电力供应的有效途径之一，已越来越受到人们的关注。然而，相对恶劣的海洋环境对风力发电系统的安全性和可靠性提出了更高的要求，无论是结构设计方面还是控制技术方面。很多已用于海岛的风力发电系统只是简单移植内陆风力发电机组的技术，不可能从根本上解决风力发电的环境适应性问题。由于海岛盐雾、腐蚀、强台风、雷电等特殊海洋环境的影响，通常在海岛所立风力发电机组往往运行时间很短就出现无法彻底解决的各种故障。本文结合所依托课题“海岛及沿岸风力发电系统高可靠运行关键技术”，以中小型独立运行风电系统为研究对象，研究其运行控制系统和结构设计的可靠性。在分析风力发电系统结构和模型的基础上，针对变速风电机组的不同运行区域提出了基本的控制策略，尤其在额定风速以下的最优化控制和额定风速以上的限速保护和功率控制方面作了较深入的研究。结合独立运行风电机组的具体控制要求，设计了智能控制器，针对控制器的各主要部分作了详细的分析。在结构可靠性方面，针对适用于海岛风能开发的独立风电机组作了特殊设计。具体而言，本文主要研究了以下几个方面的内容： 第一，介绍了课题的研究背景，阐述了课题的研究意义，总结了国内外中小型风电机组的发展与应用现状，讨论了独立运行风力发电系统结构设计和控制技术的研究现状，在此基础上介绍了本文的主要研究内容。 第二，系统地分析了中小型水平轴定桨距独立风电系统的结构与组成，基于独立风电系统的典型结构特点，建立了完整的数学和仿真模型。通过对机组数学模型展开分析，研究了变速定桨距风电机组的功率特性和转矩特性以及风力机的实度和偏航角对风电机组运行特性的影响。通过对风力机与发电机之间的匹配性问题进行研究，指出风力机与发电机的匹配性对于风电机组的效率和运行可靠性具有很大的影响。基于上述研究，可以较全面和系统地了解中小型水平轴定桨距独立风电系统的结构和控制原理，为文章后续研究的开展奠定了理论基础。 第三，讨论了变速定桨距风电机组的基本控制结构，根据变速风电机组的不同运行状态将其工作区间分成三个区间进行研究，提出了基本的控制原理，并针对不同区间的控制策略进行了分析。对实现变速风电机组最大功率跟踪控制的几种常用算法作了比较研究，将线性二次型高斯（LQG）最优控制策略引入中小型定桨距独立风电系统的运行控制，以使随机风引起的机组疲劳载荷和功率波动最小，实现中小型变速定桨距风电系统的多参数优化控制。采用Kalman滤波器进行风速估计，避免风速测量带来的成本与可靠性问题。为弥补LQG控制器设计中因稳定裕度较小所导致的控制性能不稳定等问题，本文在中小型变速独立风电系统LQG控制器中引入回路传输恢复（LTR）技术。仿真结果验证了基于有效风速估计的LQG/LTR控制方法在满足系统控制目标的同时，可以有效地提高系统在随机干扰下的鲁棒性能和稳定性。 第四，针对中小型独立风电系统的限速保护展开了研究。分析了变速定桨距风电机组的失速控制特性，研究了实现中小型风电系统大风限速保护的偏转尾翼系统，在非惯性坐标系中建立了尾翼的动力学方程。结合中小型风电系统依靠尾翼自动对风的结构特点，将电传动控制技术引入中小型风电机组的偏转尾翼系统，提出了基于自动偏转尾翼的风力发电系统限速保护与功率调节控制策略。建立了实现尾翼自动偏转的电动直线执行机构的简化数学模型，在Matlab/Simulink环境中构建了基于自动偏转尾翼的风力发电系统仿真模型，结合相应的功率控制策略对系统进行了仿真研究，从理论上验证了基于自动偏转尾翼实现中小型独立风电机组大风限速保护和功率调节的可行性和有效性。 第五，实际设计了中小型独立风电机组的智能控制器，在主控制电路、电力参数测量、功率主电路、数据采集与远程监控和偏航控制器方面作了全面的研究，采用ARM处理器作为系统主控制器，基于嵌入式Linux操作系统进行软件设计，充分利用ARM处理器的强扩展性以及Linux系统的高稳定性和良好的可移植性。结合独立风电机组具体控制目标，设计了相应的软件控制流程。 第六，在海岛独立运行风电机组结构可靠性方面，设计了少见的适合低风速应用的四叶片风轮结构和叠片式高疲劳强度轮毂，叶片采用失速翼型。设计了低起动力矩和高过载能力的直驱永磁同步发电机，提高了发电机的效率和可靠性。针对海岛风电机组较脆弱的转向轴承设计了高强度非金属转向轴承。设计了轻量化高效率全动式电传动偏转尾翼结构，确保了极端环境下的风电机组避灾保护功能。将整个风电系统应用于实际的海岛环境，经过长期的运行状态监控，对采集的相关数据进行了统计和分析，测试了控制系统的性能，验证了该机组样机的可靠性。 【关键词】：独立风电机组 仿真建模 最大功率跟踪控制 Kalman滤波 LQG/LTR控制 自动偏转尾翼 智能控制器 结构优化设计
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.1.1 研究背景12-13
• 1.1.2 研究意义13-14
• 1.2 国内外中小型风电机组的发展与应用现状14-18
• 1.2.1 国外中小型风电机组的发展现状15-16
• 1.2.2 国内中小型风电机组的发展现状16-17
• 1.2.3 中小型风电机组的应用现状17-18
• 1.3 中小型风电机组的研究现状18-25
• 1.3.1 中小型风电机组结构设计研究现状19-21
• 1.3.2 中小型风电机组控制技术研究现状21-25
• 1.4 本课题研究的主要内容25-27
• 第二章 中小型独立风电机组结构与模型分析27-48
• 2.1 引言27
• 2.2 系统结构与组成27-31
• 2.2.1 风力机28-29
• 2.2.2 发电机29-30
• 2.2.3 回转与调向装置30
• 2.2.4 蓄电池30
• 2.2.5 电力变换装置30-31
• 2.2.6 限速保护装置31
• 2.3 系统模型分析31-40
• 2.3.1 风速模型31-33
• 2.3.2 风力机模型33-34
• 2.3.3 永磁同步发电机模型34-37
• 2.3.4 传动系统模型37-38
• 2.3.5 功率变换模型38-40
• 2.4 系统运行特性研究40-47
• 2.4.1 风力机性能指标40-41
• 2.4.2 风轮功率特性41-43
• 2.4.3 风轮转矩特性43-45
• 2.4.4 风轮与发电机的匹配45-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第三章 变速定桨距风力发电系统运行控制策略研究48-70
• 3.1 引言48-49
• 3.2 变速风电机组基本控制策略49-52
• 3.2.1 运行区域49-50
• 3.2.2 额定风速以下的最优转速区50-51
• 3.2.3 额定功率以下的转速恒定区51
• 3.2.4 额定风速以上的功率恒定区51-52
• 3.3 最大功率跟踪（MPPT）控制算法52-56
• 3.3.1 TSR 控制52-53
• 3.3.2 PSF 控制53-54
• 3.3.3 HCS 控制54-56
• 3.4 最优状态反馈控制算法56-60
• 3.4.1 最优化控制方法56-57
• 3.4.2 最优调节器57
• 3.4.3 最优状态估计57-58
• 3.4.4 LQG 控制器设计58
• 3.4.5 LQG/LTR 控制方法58-60
• 3.5 变速风电机组的最优状态反馈控制策略60-69
• 3.5.1 风电机组的线性化60-62
• 3.5.2 有效风速估计62-63
• 3.5.3 控制目标63
• 3.5.4 控制器设计63-66
• 3.5.5 控制器仿真研究66-69
• 3.6 本章小结69-70
• 第四章 中小型变速风电机组限速保护系统研究与设计70-87
• 4.1 引言70-71
• 4.2 变速定桨距风电机组的失速控制特性分析71-73
• 4.2.1 理想失速控制71-72
• 4.2.2 被动失速控制72
• 4.2.3 软失速控制72-73
• 4.3 中小型风电机组的折尾翼偏航系统建模73-79
• 4.3.1 折尾翼偏航原理73-75
• 4.3.2 尾翼空气动力分析75-78
• 4.3.3 稳定偏航时的系统特性78-79
• 4.4 电传动尾翼偏航控制原理79-80
• 4.5 全动式偏转尾翼模型80-83
• 4.5.1 执行机构的结构与工作原理80-81
• 4.5.2 执行机构模型81-82
• 4.5.3 偏航机构模型82
• 4.5.4 模型仿真分析82-83
• 4.6 基于主动偏转尾翼的风电机组功率控制83-85
• 4.6.1 控制目标83-84
• 4.6.2 控制算法84
• 4.6.3 系统仿真分析84-85
• 4.7 本章小结85-87
• 第五章 独立风电机组控制器研究与设计87-104
• 5.1 引言87
• 5.2 控制器设计要求87-88
• 5.3 电力参数测量88-91
• 5.3.1 霍尔电流电压传感器89-90
• 5.3.2 电流测量电路90-91
• 5.3.3 电压测量电路91
• 5.4 功率变换电路91-96
• 5.4.1 主电路结构91-92
• 5.4.2 整流电路的设计92
• 5.4.3 BOOST 斩波电路的设计92-94
• 5.4.4 功率管驱动与保护电路94-96
• 5.5 主控制电路96-98
• 5.5.1 系统硬件结构96-97
• 5.5.2 ARM 处理器97-98
• 5.5.3 ARM11 开发平台98
• 5.6 远程数据传输与控制98-99
• 5.7 偏航控制电路99-100
• 5.8 软件设计100-103
• 5.8.1 软件设计要求100-101
• 5.8.2 嵌入式 Linux 软件设计101
• 5.8.3 应用程序设计流程101-103
• 5.9 本章小结103-104
• 第六章 海岛独立风电系统设计与性能分析104-116
• 6.1 引言104
• 6.2 海岛风力发电系统设计104-110
• 6.2.1 失速型风力机104-106
• 6.2.2 永磁同步发电机106-107
• 6.2.3 回转机构107
• 6.2.4 电传动偏转尾舵系统107-108
• 6.2.5 控制柜108-109
• 6.2.6 蓄电池与卸荷负载109-110
• 6.3 场地风资源调查110-111
• 6.4 数据处理和分析111-115
• 6.4.1 数据预处理111-112
• 6.4.2 数据修正112
• 6.4.3 比恩法处理112
• 6.4.4 试验数据的组合112
• 6.4.5 样机功率特性112-115
• 6.5 本章小结115-116
• 第七章 结论与展望116-118
• 7.1 主要研究成果116-117
• 7.2 进一步研究展望117-118
• 参考文献118-127
• 附录127-130
• 致谢130-131
• 在学期间公开发表论文及著作情况131-132
• 在学期间专利申请情况132-133
• 在学期间参与的科研项目情况133

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