雙饋風電機組模型預(yù)測控制研究

【摘要】：隨著雙饋風電機組向大容量、高性能的目標發(fā)展,研制出可靠穩(wěn)定、優(yōu)化運行的雙饋風電機組控制系統(tǒng),是當前風電機組控制應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點。在雙饋風電機組的速度調(diào)節(jié)和增加結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼減小機組載荷之間取得協(xié)調(diào),達到整體性能的優(yōu)化是控制研究的重點。本文針對雙饋風電機組減少動態(tài)載荷實現(xiàn)高效穩(wěn)定控制提出一種多狀態(tài)模型預(yù)測控制策略,以減小機組傳動鏈扭振、葉片平面外一階揮舞和塔筒前后一階擺動為目標,進行變矩和變槳模型預(yù)測控制系統(tǒng)的設(shè)計研究,論文主要工作如下： 針對雙饋風電機組多自由度耦合問題,本文在常規(guī)風電機組3狀態(tài)模型的基礎(chǔ)上,找出影響機組運行的其他因素并加以量化,根據(jù)控制目標的不同,選擇不同的狀態(tài)變量。充分考慮風輪旋轉(zhuǎn)、傳動鏈扭振、葉片平面外一階揮舞和塔筒前后一階擺動四個自由度對機組的影響,建立了變槳控制7狀態(tài)模型以及轉(zhuǎn)矩控制3狀態(tài)模型。模型能夠描述機組的關(guān)鍵動力學(xué)特性,適合于在控制器設(shè)計與開發(fā)中應(yīng)用。 提出了一種模型預(yù)測控制算法來抑制風速擾動的動態(tài)響應(yīng)。在預(yù)測的未來輸出和優(yōu)化控制目標函數(shù)中考慮了風速擾動的作用,增加了對可測風擾動的計算,全面推導(dǎo)了增加風擾動抑制效果的雙饋風電機組模型預(yù)測控制算法計算過程,實現(xiàn)了在控制系統(tǒng)中對風速擾動的前饋補償。 為了減小雙饋風電機組傳動鏈、葉片和塔筒三個主要柔性部件所承受的載荷,建立具有風擾動抑制的模型預(yù)測控制器,利用變槳控制增加傳動鏈扭振、葉片一階揮舞和塔筒前后一階擺動這三個自由度的阻尼,通過選擇合適的目標權(quán)重矩陣,調(diào)節(jié)對每個自由度所加阻尼的比重程度。在額定風速附近風速段,針對葉片槳距角對傳動鏈扭振模態(tài)的可控性減弱問題,采用調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)矩增加傳動鏈扭振阻尼。 首次建立了雙饋風電機組聯(lián)合運動仿真環(huán)境,克服單一仿真環(huán)境下不能同時兼顧機組空氣動力特性、機械特性和控制策略的問題,利用AeroDyn軟件計算空氣動力特性,FAST軟件計算機械結(jié)構(gòu)動態(tài),MATLAB軟件設(shè)計控制算法,降低單一環(huán)境下仿真研究的片面性。三者聯(lián)合仿真同時兼顧了雙饋風電機組各方面的動態(tài),使仿真更加接近真實,便于控制器的設(shè)計和驗證,為機組的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 針對本文所設(shè)計的3MW雙饋風電機組控制器,開展了試驗研究。結(jié)合本文所建立的多狀態(tài)模型預(yù)測控制器,通過與當前市場應(yīng)用的變增益PI控制進行對比,模型預(yù)測控制算法在減小風電機組傳動鏈扭振、葉片揮舞和塔筒前后擺動方面效果明顯,驗證了本文所采用的算法的可行性,改善了雙饋風電機組的控制性能和動態(tài)載荷。 【關(guān)鍵詞】：雙饋 風電機組 模型預(yù)測控制 載荷控制 變槳距控制
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 引言12-13
• 1.2 風電機組載荷與控制的關(guān)系13-15
• 1.3 風電機組控制系統(tǒng)構(gòu)成15-16
• 1.4 風電機組控制策略綜述16-19
• 1.5 模型預(yù)測控制的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.6 論文研究的主要工作20-23
• 第二章 雙饋風電機組運行原理與控制23-39
• 2.1 引言23
• 2.2 雙饋風電機組運行原理23-26
• 2.3 雙饋風電機組控制器26-38
• 2.3.1 轉(zhuǎn)矩控制設(shè)計26-28
• 2.3.2 變槳基本PID控制設(shè)計28-32
• 2.3.3 變槳PID增益調(diào)度設(shè)計32-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第三章 雙饋風電機組多自由度耦合線性模型39-61
• 3.1 引言39
• 3.2 3MW雙饋風電機組39-40
• 3.3 雙饋風電機組主要自由度40-43
• 3.4 不同自由度數(shù)學(xué)模型43-60
• 3.4.1 變槳控制1狀態(tài)線性模型44-46
• 3.4.2 變槳控制3狀態(tài)線性模型46-49
• 3.4.3 變槳控制5狀態(tài)線性模型49-55
• 3.4.4 變槳控制7狀態(tài)線性模型55-58
• 3.4.5 轉(zhuǎn)矩控制3狀態(tài)線性模型58-60
• 3.5 本章小結(jié)60-61
• 第四章 風擾動抑制模型預(yù)測控制研究61-74
• 4.1 引言61
• 4.2 模型預(yù)測控制機理61-65
• 4.3 雙饋風電機組模型預(yù)測算法65-72
• 4.3.1 預(yù)測模型66
• 4.3.2 滾動優(yōu)化66-69
• 4.3.3 優(yōu)化函數(shù)計算69-71
• 4.3.4 狀態(tài)觀測器71-72
• 4.4 雙饋風電機組預(yù)測控制器設(shè)計步驟72-73
• 4.5 本章小結(jié)73-74
• 第五章 雙饋風電機組聯(lián)合運動仿真與模型預(yù)測控制實現(xiàn)74-101
• 5.1 引言74
• 5.2 雙饋風電機組聯(lián)合運動仿真74-80
• 5.2.1 基于AeroDyn的空氣動力模型75-77
• 5.2.2 基于FAST的機械動態(tài)模型77-79
• 5.2.3 基于MATLAB的控制系統(tǒng)模型79-80
• 5.3 速度調(diào)節(jié)變槳MPC設(shè)計80-87
• 5.3.1 預(yù)測時域和控制時域選擇81-83
• 5.3.2 與變增益PI控制進行比較83-86
• 5.3.3 增加未考慮模態(tài)的響應(yīng)86-87
• 5.4 傳動鏈阻尼變槳MPC設(shè)計87-90
• 5.4.1 增加傳動鏈扭振阻尼后效果88
• 5.4.2 增加未考慮模態(tài)的響應(yīng)88-90
• 5.5 葉片揮舞阻尼變槳MPC設(shè)計90-94
• 5.5.1 驗證葉片揮舞阻尼的效果91-92
• 5.5.2 增加未考慮模態(tài)的響應(yīng)92-94
• 5.6 塔筒前后阻尼變槳MPC設(shè)計94-96
• 5.7 傳動鏈阻尼轉(zhuǎn)矩MPC設(shè)計96-99
• 5.7.1 傳動鏈扭振可控性96-97
• 5.7.2 控制目標與控制器實現(xiàn)97-98
• 5.7.3 控制效果驗證98-99
• 5.8 總體控制方案99-100
• 5.9 本章小結(jié)100-101
• 第六章 3MW雙饋風電機組試驗研究101-110
• 6.1 引言101
• 6.2 3MW雙饋風電機組硬件描述101-102
• 6.3 3MW雙饋風電機組試驗方案102-105
• 6.3.1 工廠安裝完成后的機組情況102-103
• 6.3.2 軟件模擬部分103
• 6.3.3 試驗拖動部分103-105
• 6.4 3MW雙饋風電機組試驗過程105-108
• 6.5 本章小結(jié)108-110
• 第七章 結(jié)論110-112
• 參考文獻112-116
• 在學(xué)研究成果116-117
• 致謝117

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雙饋風電機組保護與系統(tǒng)保護協(xié)調(diào)研究    李強

雙饋型風電機組接入對電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響    于強

1.5MW雙饋型風機變頻器控制系統(tǒng)    戴暉

雙饋風電機組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的策略研究    李曉鈺

雙饋發(fā)電機勵磁模糊控制實驗研究    欒曉偉

雙饋風機低電壓穿越控制技術(shù)研究    張帆

新型儲能雙饋風電機組的運行與控制仿真研究    陳煜

兆瓦級雙饋風電機組低電壓穿越控制技術(shù)研究    王冬冬

雙饋風力發(fā)電機組參與一次調(diào)頻的控制策略研究    周小華