大型雙饋風電機組多目標優(yōu)化控制

【摘要】：隨著人類社會的進步和發(fā)展，能源供應日益緊張，風能作為清潔的可再生能源得到了世界各國的青睞。目前，幾乎所有的大型風電機組都采用了變速變槳距控制技術，該控制技術不僅可以實現(xiàn)最大風能捕獲、提高電能質量，還可以降低齒輪箱和塔架等零部件的載荷。因此，本文以3MW變速變槳距風電機組為研究對象，對風電機組的控制策略進行深入研究。 首先，對風電機組的工作原理進行分析，建立機組各環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，根據(jù)風速的大小對風電機組進行區(qū)域劃分，研究不同工作區(qū)域的功率控制方法。 其次，將傳統(tǒng)的PID控制策略應用到風電機組的控制器上，通過仿真發(fā)現(xiàn)該控制策略對風電機組的控制效果并不理想，存在功率波動大、齒輪箱和塔架等部件的載荷波動大以及變槳動作頻繁等問題。為了優(yōu)化傳統(tǒng)的PID控制器的控制效果，本文在額定風速以下設計了帶傳動鏈阻尼器的PID轉矩控制器，在額定風速以上設計了帶塔架阻尼器的雙PID變增益槳距控制器。仿真結果表明，優(yōu)化后的PID控制器減小了輸出功率的波動和變槳動作、降低了齒輪箱和塔架的載荷。 最后，針對傳統(tǒng)控制策略的功率波動大、載荷大和變槳動作頻繁等問題，設計了基于LQG最優(yōu)控制的風電機組多目標控制策略，對多個目標進行同時控制，從而使風電機組達到整體最優(yōu)的目的。該控制策略通過卡爾曼濾波器對系統(tǒng)噪聲和量測噪聲進行實時估計，根據(jù)估算的系統(tǒng)狀態(tài)調整動態(tài)最優(yōu)增益，以實現(xiàn)不同工作點的最優(yōu)控制。仿真結果表明，與優(yōu)化后的PID控制器相比，本文提出的LQG最優(yōu)控制器不僅保證了發(fā)電量，減小了功率波動和變槳動作，同時還明顯減小了齒輪箱的轉矩波動，從而降低了齒輪箱等關鍵部件的載荷。 本文旨在風電機組控制器的優(yōu)化設計，通過VC++軟件編寫B(tài)laded的外部控制器程序進行仿真，并在Bladed軟件中仿真驗證控制器的性能。 【關鍵詞】：風電機組 PID 載荷 LQG 最優(yōu)控制
【學位授予單位】：沈陽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-19
• 1.1 課題的背景、目的和意義10-12
• 1.1.1 課題的背景10-11
• 1.1.2 課題的研究目標11-12
• 1.1.3 課題的意義12
• 1.2 風電機組及其控制技術的研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 風電機組功率調節(jié)技術研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.2 變速恒頻發(fā)電控制技術14-15
• 1.2.3 風電機組控制研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 風電機組的特性分析19-31
• 2.1 風電機組動態(tài)建模19-22
• 2.1.1 風速模型19
• 2.1.2 風輪氣動模型19-20
• 2.1.3 傳動鏈模型20-21
• 2.1.4 變槳機構模型21-22
• 2.2 風輪的特性分析22-28
• 2.2.1 貝茲極限22-24
• 2.2.2 風能利用系數(shù)24-26
• 2.2.3 葉片氣動特性26-28
• 2.3 風電機組控制系統(tǒng)結構28-29
• 2.4 風電機組的控制策略29-31
• 第三章 風電機組 PID 控制器優(yōu)化設計31-43
• 3.1 PID 控制原理31-33
• 3.2 基于阻尼器的轉矩控制器33-36
• 3.3 基于阻尼器的變增益槳距控制器36-39
• 3.3.1 雙 PI 槳距控制器36-38
• 3.3.2 動態(tài)增益38
• 3.3.3 塔架阻尼器38-39
• 3.4 仿真與結果分析39-42
• 3.5 小結42-43
• 第四章 基于 LQG 最優(yōu)控制的風電機組多目標優(yōu)化控制43-59
• 4.1 LQG 最優(yōu)控制的原理43-48
• 4.1.1 線性二次型性能指標44-45
• 4.1.2 線性二次型最優(yōu)控制45-46
• 4.1.3 卡爾曼濾波器46-48
• 4.2 風電機組 LQG 最優(yōu)控制器設計48-52
• 4.2.1 額定風速以下的狀態(tài)方程49
• 4.2.2 額定風速以上的狀態(tài)方程49-50
• 4.2.3 狀態(tài)最優(yōu)估計器設計50-51
• 4.2.4 最優(yōu)控制器設計51-52
• 4.3 仿真與結果分析52-57
• 4.3.1 額定風速以下的仿真與結果分析52-54
• 4.3.2 額定風速以上的仿真與結果分析54-57
• 4.4 小結57-59
• 第五章 結論與展望59-61
• 5.1 結論59-60
• 5.2 前景與展望60-61
• 參考文獻61-64
• 在學研究成果64-65
• 致謝65

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