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大型变速变距风力发电机组的柔性协调控制技术研究

作　者: 邢作霞
导　师: 郑琼林；姚兴佳
学　校: 北京交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 风力发电机组风电机组控制柔性协调双馈式变速变距转矩控制桨距控制模态线性化专家决策系统 PID 阻尼滤波振动控制变速恒频控制自适应直接转矩控制液压变距 BP神经网络
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 1372次
引　用: 15次
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内容摘要

论文研究了大型风电机组设备的主流机型---双馈型变速变距风力发电机组的整机运行控制策略。在整机运行控制策略中,提出了“柔性协调控制"的概念。在转矩、桨距和发电功率输出控制中开展了“柔性控制”的研究;为优化整机运行性能,提出整机各控制器之间须“协调控制”并开展深入研究。“柔性”是使机组能快速跟踪给定,减小载荷冲击,减小振动,输出功率平滑。“协调”是指机组各控制环节协同规划,按照不同阶段控制目标优化整机性能的一种策略。针对大型变速变距风电机组的转矩控制、桨距控制以及整机的协调控制,采用模态线性化方法对被控对象进行建模,模型中考虑机械响应动态特征。根据风速把机组运行划分为三个工作区域后,基于Bladed软件模态线性化的被控对象,研究了区域2的最佳叶尖速比控制,引入单纯形参数寻优的办法对区域2进行柔性PID转矩控制;在研究了区域3的桨距控制策略的基础上,提出并阐述了基于专家决策系统的整机各控制器之间的协调控制策略,并进行了试验对比分析。针对变速风电机组的振动问题,特别是传动链的扭曲振动和风轮-塔架耦合的整机振动问题,采用Campell图的分析方法分析了机组耦合共振情况,并在此基础上提出采用阻尼滤波器的办法抑制振动来减小载荷的柔性控制策略。提出了在PID控制环中加入塔架前后一阶模态频率的陷波滤波器进行塔架振动控制的方法;同时采用在额定风速之上的转矩控制中加入风轮平面内—阶模态阻尼频率的方法抑制传动链的扭曲振动。Bladed软件仿真和设备样机的在线状态监测验证控制效果。针对双馈变速风电机组的柔性功率输出控制,建立了包括传动链中的风激励、风能吸收模型、机械传输特性、发电系统、桨距和速度控制特性等环节特性的系统模型,并进行仿真和试验研究。利用该模型,进行了自适应直接转矩变速恒频控制策略的研究,进行了机组运行发电功率输出特性仿真,并在30kW试验平台上进行机组并网试验和功率输出特性研究。还对机组运行过程中的电网电压跌落等故障进行了仿真预测和控制策略对比分析。针对液压驱动变距系统的大惯性、系统参数非线性、时变控制特点,提出BP神经网络实时调节变距PID控制参数的柔性控制策略,通过Matlab仿真、SUT-1000机组的试验结果对比分析,验证该方法具有良好的随动控制效果。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
序  9-13
1 引言  13-28
  1.1 国外风电技术的发展  13-15
  1.2 国内风电技术的现状  15-16
  1.3 机组几种驱动链结构分析和比较  16-22
  1.4 风力发电机组控制技术的研究内容和特点  22-23
  1.5 “柔性、协调”控制技术的概念和课题由来  23-26
  1.6 论文结构及研究内容  26-28
2 基于模态线性化系统模型的转矩、桨距控制和整机协调控制  28-60
  2.1 变速变距机组控制系统构成  28-29
  2.2 变速变距机组工作区域划分  29-30
  2.3 控制系统设计过程  30-33
  2.4 模态线性化  33-38
    2.4.1 单状态线性模型  34-35
    2.4.2 风轮和发电机转速，驱动链扭矩的3状态线性模型  35-36
    2.4.3 加入叶片挥舞模态的9状态线性模型  36-37
    2.4.4 加入塔架前后模态的11状态线性模型  37-38
  2.5 区域2的最佳叶尖速比控制  38-41
  2.6 区域2的PID 转矩控制器设计  41-49
    2.6.1 控制器结构  41-43
    2.6.2 基于Bladed的被控对象的生成  43-46
    2.6.3 单纯形的PID参数寻优结果  46-49
  2.7 区域3的PID桨距控制器设计  49-50
  2.8 转矩控制器和桨距控制器间的协调切换  50-59
  2.9 本章小结  59-60
3 基于阻尼滤波器设计的柔性振动控制  60-77
  3.1 机组的振动现象和原因分析  60-63
    3.1.1 气弹稳定性引发的振动问题  60-62
    3.1.2 机械传动链的扭曲振动  62
    3.1.3 偏航运动引起的振动问题  62-63
    3.1.4 风轮-塔架祸合的整机振动  63
  3.2 1.5MW风力发电机组的Campell图分析  63-65
  3.3 变距系统的塔架振动柔性控制  65-69
    3.3.1 塔架振动控制原理  66
    3.3.2 陷波滤波器的设计  66-67
    3.3.3 控制器性能分析  67-69
  3.4 减小驱动链扭曲振动的转矩阻尼器设计  69-72
  3.5 机组在线状态检测的设计验证  72-75
  3.6 本章小结  75-77
4 双馈式变速风电机组的柔性功率输出特性研究  77-102
  4.1 系统仿真用数学模型的建立  77-86
    4.1.1 风速模型  78
    4.1.2 风轮模型  78-81
    4.1.3 双馈发电机与变流器模型  81-83
    4.1.4 直接转矩控制的实现  83-85
    4.1.5 桨矩控制器模型  85
    4.1.6 风轮转速控制模型  85
    4.1.7 电力系统模型  85-86
  4.2 系统仿真结果  86-88
  4.3 发电系统试验  88-91
  4.4 电网故障时系统性能仿真  91-96
  4.5 对比分析  96-100
  4.6 本章小结  100-102
5 基于BP神经网络的柔性液压驱动PID变距控制  102-111
  5.1 液压变距执行机构原理与模型  102-105
  5.2 基于BP神经网络的PID控制算法  105-108
  5.3 仿真与试验结果及其分析  108-110
  5.4 本章小结  110-111
6 结论  111-113
7 附录A:变速变距风力发电机组气动理论及载荷计算  113-135
  A.1 机组气动理论基础  113-118
  A.2 机组结构动态分析基础  118-124
  A.3 结构动态模态分析  124-127
  A.4 机组载荷计算  127-131
  A.5 外界风条件建模  131-133
  A.6 Bladed载荷计算、评估软件介绍  133-135
8 附录B: SUT-1500双馈式变速恒频风电机组Bladed模型  135-140
参考文献  140-145
作者简历  145-147
学位论文数据集  147

大型变速变距风力发电机组的柔性协调控制技术研究

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