前端调速式风电机组变桨变矩优化控制研究

【摘要】：前端调速式风电机组采用同步发电机发电,采用液力变矩调速技术在发电机前端进行调速,具有低电压穿越能力强、无功输出能力强,电能品质好,可靠性高等特点。前端调速式风电机组将逐渐成为风力发电技术发展所采用的主流机型,对该新型风电机组液力变矩调速控制、变桨功率控制、变桨变矩优化控制等相关内容进行分析和研究,对于促进我国风电技术的发展具有重要意义。论文以前端调速式风电机组为研究对象,首先对机组的运行理论进行分析与阐述,对机组的结构组成与工作原理进行了分析,对导叶可调式液力变矩器进行了分析,对风电机组各组成部分进行结构分析与数学计算,建立了前端调速式风电机组的数学模型。其次,对前端调速式机组变桨控制理论进行了分析与阐述,在对风轮空气动力学特性分析基础上,对额定风速以下最大风能捕获理论与额定风速以上功率限制理论进行分析与说明。针对额定风速以上前端调速式风电机组有功功率控制问题,设计基于遗传算法的有功功率控制器,通过搭建控制系统仿真模型进行仿真与分析,仿真结果表明所设计的控制器有效实现了机组恒功率输出的控制目标。再次,对前端调速式机组液力变矩调速控制理论进行分析与阐述,对液力变矩调速系统变风速输入恒转速输出的调节过程进行分析与说明。根据导叶可调式液力变矩器的工作原理与调速特性,设计基于双模参数自调整的模糊控制器,建立液力变矩调速系统仿真模型进行仿真与分析,仿真结果表明液力变矩调速系统的涡轮输出转速稳定在其额定转速附近,针对液力变矩器的导叶控制效果明显。最后,针对额定风速以上工况下前端调速式风电机组功率优化控制问题,提出一种基于差分进化算法的变桨变矩优化控制策略。以液力变矩调速系统输出转速恒定、风电机组输出功率平滑性最优为控制目标建立目标函数,采用差分进化算法,对机组两个控制参数桨距角与导叶开度角进行优化,风电机组的变桨系统与液力变矩调速系统根据优化后的参数进行变桨控制与变矩控制。以2MW前端调速式风电机组为对象进行控制策略验证分析,仿真结果表明根据所提出的优化控制策略对风电机组进行功率控制,平滑了机组的输出功率,减小了功率波动,获得了较好的控制效果,验证了控制策略的可行性。 【关键词】：前端调速风电机组 功率控制 变矩系统 优化控制 仿真分析
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 论文的研究背景和研究意义9-10
• 1.1.1 论文的研究背景9
• 1.1.2 论文的研究意义9-10
• 1.2 论文的国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 论文的主要研究内容12-14
• 2 前端调速式风电机组14-25
• 2.1 前端调速式风电机组运行理论14-15
• 2.2 液力变矩调速系统15-17
• 2.3 前端调速式风电机组数学模型17-23
• 2.3.1 风轮空气动力学模型17-18
• 2.3.2 传动链动力学模型18-21
• 2.3.3 无刷电励磁同步发电机模型21-23
• 2.4 前端调速式风电机组控制结构23-24
• 2.5 小结24-25
• 3 液力变矩调速控制25-31
• 3.1 液力变矩调速原理25
• 3.2 基于双模参数自调整的调速控制25-27
• 3.2.1 双模控制25-26
• 3.2.2 参数自调整26-27
• 3.3 仿真与分析27-30
• 3.4 小结30-31
• 4 前端调速式风电机组有功功率控制31-37
• 4.1 有功功率控制结构31
• 4.2 基于遗传算法的变桨控制31-34
• 4.2.1 模糊PID控制器32
• 4.2.2 模糊规则优化32-34
• 4.3 仿真与分析34-36
• 4.4 小结36-37
• 5 前端调速式风电机组变桨变矩优化控制37-47
• 5.1 差分进化算法理论37-39
• 5.1.1 差分进化算法流程37-38
• 5.1.2 改进差分进化算法38-39
• 5.2 变桨变矩优化控制39-42
• 5.2.1 控制策略39-40
• 5.2.2 目标函数40-41
• 5.2.3 约束条件41-42
• 5.3 仿真与分析42-46
• 5.4 小结46-47
• 结论47-48
• 致谢48-49
• 参考文献49-52
• 攻读学位期间研究成果52

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