（电力电子与电力传动专业论文）基于最大风能追踪的风速预测研究.pdf

基丁最大风能追踪的风速预测研究 a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sh a v eb e c o m eam a i ng l o b a ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tp r o b l e mi nt h ew o r d w i n dp o w e rh a sb e e nt a k e nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nw i t hi t sp o l l u t i o n - f r e ea n dr e p r o d u c i b i l i t y ，a n dk e e p st h ef a s t e s t g r o w i n g e n e r g ys t a t u si nt h ew o r l d b e c a u s eo fh i s t o r ya n dg e o g r a p h yf a c t o r s ，i nw e s t e r n r e g i o no fc h i n a ，t h e r ea r em a n ya r e a sa n dp o p u l a t i o nw i t hn oe l e c t r i c i t y t h e6 0 m i l l i o np e o p l ew i t h o u te l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ew e s t e r nr e g i o n ，a n dt h em o s t r e l i a b l es o l u t i o n st op r o b l e m so fl o n g - t e r ms u p p l y , o n l yd e p e n d i n go nt h en a t u r a l e n e r g y g a n s uh e x ic o r r i d o ra r e ah a sr i c h r e s o u r c e sa n dt h ee n e r g yd e n s i t yh a sb e e n r e a c h e d2 0 0 3 0 0 w m 2 ，t h et i m ef o tt h ee f f e c t i v ew i n di sa r o u n d7 0p e r c e n t t h i s p a p e rr e s e a r c hw i l lt a k ef u l lu s eo ft h er e g i o na d v a n t a g et oa l l e v i a t et h ep r e s s u r eo f p o w e rc o n s u m p t i o ni nt h is r e g i o ne v e nt h e ni nt h es t a t e r e d u c i n gt h er e n e w a b l e l e s s e n e r g ya n dt a k i n ga ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n ge c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta s p e c t s w i t he n s u r e i n gt h en o r m a lw o r k i n gs t a b i l i t yo fw i n dp o w e r s y s t e ma tt h es a m e t i m e ，a sf a ra sp o s s i b l et ou s et h ew i n dp o w e ra n dm a x i m u mw i n de n e r g yt r a c k i n g c o n t r o li s a l w a y so n eo ft h em a i ng o a l so ft h ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i n dp o w e ra n db a t e st h e o r y , w i n de n e r g yo b t a i n e df r o mt h ew i n d - i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es p e e do ft h eg e n e r a t o ra n dw i n dv e l o c i t y s o ，i nt h ew i n d p o w e rc o n t r o ls y s t e m ，t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n tv a l u eo ft h ew i n di sv i t a lt ot h e e n e r g yu t i l i z a t i o n b e c a u s eo ft h eu n c e r t a i n t yo fa i rp o w e rs y s t e m ，t h et r a d i t i o n a l m e t h o dw i t hr e a l - t i m em e a s u r i n ge a s i l yh a v el a r g ed e v i a t i o n ，a n dt h ei n s t a l l a t i o no f a n e m o m e t e ra l s oi n c r e a s et h ec o s to fe q u i p m e n tf a i l u r e ，e q u i p m e n t o p e r a t i o na n d c o m p l e x i t y c h o o s i n ga p p r o p r i a t em a x i m u mw i n dt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d st oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ew i n dg e n e r a t o ri st h ek e yf a c t o r ，i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，i n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h ei m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z e ( i p s o ) t h er b fn e u r a l n e t w o r k ( r b f ) w i n dp r e d i c t i o na n db a s e do nt h el e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s - s v m ) s p e e df o r e c a s t i n gm e t h o d sa r ed e v e l o p e dt oi m p r o v et h ep r e d i c t i o n a c c u r a c y , a n dt h e nt oi m p r o v et h ev e l o c i t yo fw i n dg e n e r a t o r sw i n dc a p t u r ee f f i c i e n c y f i r s t ，an o n s y m m e t r i cl e a r n i n gf a c t o ra d j u s t i n gm e t h o di n t r o d u c e dh e r ei st ok e e pt h e b a l a n c eb e t w e e nt h eg l o b a ls e a r c ha n dt h el o c a ls e a r c hw i t ht h eg r e a ta d v a n t a g e so f c o n v e r g e n c ep r o p e r t ya n dr o b u s t n e s sc o m p a r e dw i t hs t a n d a r dp s oa l g o r i t h m u s e i p s ot oo p t i m i z a t et h ec e n t e r c i a n dw i d t h 仃fo ft h er b fn e u r a ln e t w o r ka n dt o d e t e r m i n et h ea c c u r a t ef o r e c a s t i n gm o d e lo fn e u r a ln e t w o r k s ，f r o mt h er e s u l t so ft h i s m o d e li s a p p l i e dt op r e d i c tt h em a x i m u mw i n ds p e e do ft r a c k i n g ，t h ea v e r a g e p r e d i c t i o ne r r o rt h a nb e f o r eo p t i m i z i n gr b fn e u r a ln e t w o r kh a sd r o p p e db yn e a r l y 硕十学位论文 10 b e c a u s et h i sa l g o r i t h mm u c hd e p e n d e n t so nt h es a m p l ed a t aa n dn e e d sal a r g e n u m b e ro fs a m p l e sd a t at ot r a i nt h en e t w o r k ，s ot h i sp a p e r p u t sf o r w a r dan e wk i n do f l s s v mf o r e c a s t i n gw i n dm o d e l ，t h i sm o d e l r e q u i r e so n l yt w or b fk e r n e l p a r a m e t e r sn a m e l y 厂a n d 盯ft oc e r t a i na n dt h em o d e lh a ss i m p l es t r u c t u r e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ea v e r a g ee r r o ri s0 0 8 7 7 4 t h a ti n d i c a t e st h em e t h o d c a na c h i e v et h eg o a l ，a n dt h i sm e t h o dh a st h ea b i l i t yo fs m a l ls a m p l el e a r n i n g ，g o o d g e n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dh i g hd i m e n s i o n a ld a t ap r o c e s s i n gp r o p e r t i e s ，a n dc a n b eu s e di nt h ew i n df a r m t h es t u d i e sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fn e wp e r m a n e n tm a g n e td i r e c t d i r e c tw i n d t u r b i n ew i t hf u l lc o p y r i g h t sl a i dt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o n ： k e yw o r d s ：p e r m a n e n t m a g n e t i cd i r e c t - d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；w i n ds p e e d f o r e c a s t i n g ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ；i p s o - r b fn e u r a l n e t w o r k ； l e a s ts q u a r es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 基于最大风能追踪的风速预测研究 插图索引 图1 1 变速恒频双馈风力发电系统结构一3 图1 2 直驱式永磁同步风力发电系统结构3 图1 3 叶尖速比控制原理图4 图1 4 功率反馈控制原理图5 图1 5 爬山搜索法原理图一5 图2 1 直驱式永磁同步风力发电系统结构7 图2 2 风力机运行区域曲线8 图2 3 风力机功率系数曲线9 图2 4 发电机运行区域曲线1 0 图2 5 风力机的功率特性一1 0 图2 6d c - d c 变换器控制电路的拓扑结构1 2 图2 7 不控整流结构图1 2 图2 8 发电机功率一占空比关系图1 4 图2 。9 发电机输出功率( d ，圪) 曲线图一1 4 图2 1 0 控制系统中的风速预测模型1 7 图2 1 1 永磁发电机连接整流器的等效电路1 7 图2 1 2 风速估计的样本数据1 8 图3 1p s o 收敛区域2 2 图3 2r a s t r i g i n 函数三维图一2 3 图3 3 r ( x ) 平均适应度曲线2 4 图3 4 神经元模型2 5 图3 5 阈值函数2 5 图3 6s 函数和双曲正切函数2 6 图3 7 分段线性函数2 6 图3 8 神经网络的结构图2 7 图3 9 训练样本矩阵3 1 图3 10 粒子编码结构3 2 图3 1 1i p s o 算法优化r b f 神经网络的流程图3 4 图3 1 2 聚类算法确定隐含层单元的数量3 5 图3 13 离线训练神经网络模型3 5 图3 1 4 基于i p s o 算法的r b f 神经网络测试样本与估计值3 6 图3 15 基于i p s o 算法的r b f 神经例络测试误差曲线3 6 i v 硕十学位论文 图3 1 6 基于r b f 神经网络的样本及预测值3 6 图3 1 7 基于r b f 神经网络的预测误差曲线3 6 图4 1 结构风险最小化示意图4 1 图4 2 最优分类线一4 l 图4 3 线性不可分示意图4 3 图4 4 支持向量机结构图4 5 图4 5 基于l s s v m 的风速预测模型5 l 图4 6 基于最小二乘支持向量机的风速样本及预测值5 2 图4 7 基于最小二乘支持向量机的风速预测误差5 3 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：任抱锋日期：功f o 年石月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 ，口年6 月g 日 日期：砂户年 月户白 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 保证能源供应的稳定性、可靠性和洁净性的是人类文明、经济发展和社会进 步的重要保障，然而，伴随着人类社会的进步，煤炭、石油、天然气等化石能源 大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时更感觉到环境恶化带来的威胁。 如何实现能源的可持续发展，从而保持经济和社会的可持续发展，已经成为世界 各国必须解决的问题。 十六大提出2 0 2 0 年我国国内生产总值( g d p ) 要实现比2 0 0 0 年翻两番的总目 标，以多大的能源代价实现这个总目标引起广泛关注。如果能源消费也随之翻两 番的话，到2 0 2 0 年我国能源消费总量将达到每年6 0 亿吨标准煤! 而我国常规能 源的剩余可采总存储量仅为l5 0 0 亿吨标准煤，仅够我国使用2 5 年! 国家电监委 预计今年的电力缺口在2 0 0 0 万千瓦，供需矛盾比去年更加突出，在当前能源紧缺 的背景下，寻求新能源的支持显得尤为重要，在这种情况下，无污染，可循环利 用，取之不尽的风能越来越受到各国的重视。 根据哥本哈根会议所倡导的低碳经济，科技部部长万钢表示，“在发展新兴 战略产业上，能源领域，我们选择新能源、可再生能源、非化石能源作为未来发 展方向；在交通领域，我们选择电动汽车作为发展重点；在信息领域，我们确定 智能电网和相关技术作为发展重点。”可再生能源技术、节能减排技术、将成为 今后科技工作的重点。 与此同时，限制风能大规模商业开发利用的主要因素一= 风力发电成本在过去 2 0 年中有了大幅的下降，随风力资源的不同，风电场规模的不同和采用技术不同， 风力发电成本也有所不同。随着j x l 能这一态势的发展，世界风力发电的装机容量 到2 0 2 0 年预计会达到1 2 4 5 亿千瓦，发电量占世界电力消费量的12 。因此，风 能是2 l 世纪最有发展前途的绿色能源，是当前人类社会经济可持续发展的最主要 的新动力源之一1 。 1 1 2 课题意义 风力发电已经成为近几年发展最快的新能源利用技术之一。目前常用的j x l 力 发电系统主要有变速恒频直驱式永磁同步风力发电系统和变速恒频双馈风力发电 系统，其中近年的研究热点，直驱式永磁同步风力发电系统主要的运行方式有两 种：最大功率输出运行和额定功率输出运行。从风力机启动到额定风速的过程中， 风力机变速运行在最优桨距角的情况，这时控制整流器直流侧的输出电流来控制 电机转矩，对调节风力机转速进行调节，使j x l 轮转速保持在最佳叶尖速比，从而 使系统追踪最佳功率曲线实现最大风能捕获。当风力机运行在额定风速以上的环 基丁最人风能追踪的风速预测研究 境时，系统的变桨距机构开始动作，调节风力机的受力，减小从风场中吸收的机 械能量，保持风机的转速不变，使风机的输出能量可以稳定地保持在额定功率上， 防止风机超过转速极限和功率极限而发生可能的事故。 作为一种新兴能源，风能最大的特点是其随机性和不可控性。风速变化不仅 受到大气运动的影响，还受到各种地表因素的影响，因此风速在时间和空间上都 发现出很强的随机特性。风力发电机组控制和风电场并网运行中的许多关键技术 都足为了适应风速变化的这种随机性。风速的特性决定了其不可能一直保持在额 定风速以上，所以大部分的时间里风机是运行在最大功率输出模式下的，此时最 大风能的获取就显得尤为重要，因此，最大风能跟踪控制方法成为提高风力发电 效率的关键因素之一。 1 2 风力发电技术的研究现状 风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发 l | f i 疗式之一，因其具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，受 到厂世界各国的重视。并且随着世界上重视环保的呼声越来越大，各国政府和各 种图际组织对环保项目的支持力度也越来越大，从而风力发电获得了更多的优惠 政策和资金支持m 1 。 1 2 1 风力发电系统的研究现状 目前常用的风力发电机组按控制方式可以分为，恒速恒频发电系统与变速恒 频发电系统。文献 2 详细介绍了两种类型的机组性能并进行了比较。恒速恒频风 力发电机组以损失风能为代价，保证风力发电系统的安全并网，随着电力电子技 术的发展，变速恒频技术已经成为风力发电的主流一1 。在变速恒频风力发电系统 中，转速跟随风速的变化而变化，保证系统可以在更大的风速范围内工作，为风 力机运行在最佳叶尖速比状态提供了可能，因此可以使j x l 力机在不同j x l 速下捕获 最大风能，并通过对变频装置的控制，使系统发出满足要求的电能。 文献 5 中介绍几种变速恒频风力发电系统控制方案，并进行了对比，其中技 术l “加成熟，在国外已经大规模使用的是双馈风力发电机组如图1 1 所示。采用 双馈感应发电机交流励磁控制，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使 原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压( 或电流) 的频率、幅值 和川位也不受转子速度和瞬时位置的影n 向，实现了机电系统之间的柔性连接，从而 提高了发电机的稳定性和电网运行的可靠性。但是低风速时，风轮机转速也很低， 直接用风轮机带动双馈电机转子将满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须 引入齿轮箱升速，再同双馈发电机转子连接进行风力发电。然而齿轮箱随着发电 机组功率等级的升高，体积也随之变得很大，且易出现故障，需要经常维护，可 舷行差，同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。在大力丌 腠风能利用的今天，风力发电机组的发电量j 下在不断增加，对风力发电机组可靠 2 硕十学位论文 性和效率要求也在不断提高，齿轮箱的存在严重限制了风力发电的发展。直驱式 永磁风力发电系统如图1 2 所示，就是在这种情况下出现的。应用于风力发电系 统的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低 时，发电机仍然可以工作，因而在直驱式永磁同步风力发电系统当中使风轮机与 永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护 工作，并且降低了噪音。另外，直驱式永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具 有重量轻、效率高、可靠性好的优点。同时，随着电力电子技术和永磁材料的发 展，在直驱式永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件( i g b t 等) 和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱式永磁风 力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。 图1 1变速恒频双馈风力发电系统结构图 电网 图1 2 直驱式永磁同步风力发电系统结构图 目前，变速恒频风力发电系统根据发电机组采用的发电机类型不同分为i ( 1 ) 采用交流异步发电机组的风力发电系统；( 2 ) 采用永磁同步发电机组的直驱型风力 发电系统；( 3 ) 采用双馈异步发电机组的风力发电系统；( 4 ) 采用磁场调制型发电 机组的风力发电系统；( 5 ) 采用开关磁阻发电机组的风力发电系统。表l 给出了变 速恒频系统采用不同发电机组的性能对比。 表1 变速恒频系统采用不同发电机组的性能对比 舣馈无磁场调笼型电永磁同开磁阻 控制方案 刷机组制机组机机组步电机组电机 转速运行范围较宽较窄 窄 宽宽 变频器容量部分全部全部全部单向 能量流动方向 舣向双向单向 单向单向 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠 运行，风力发电技术将继续向大容量、无刷化、智能化及变速恒频控制等方向发 展，今后主要有以下发展趋势n3 。：( 1 ) 单机容量继续稳步上升，单机容量增大后 的直接好处是能以数目较少的风电机组完成相同的发电量，从而节省土地使用面 基丁最人风能追踪的风速预测研究 积。( 2 ) 风电入网研究，当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及 相了j i 作用规律还是需要进步研究。( 3 ) 从风力机到发电机的新型驱动方式研究， 通过州纯齿轮装置驱动和直接驱动技术的融合，进行混合式驱动系统研究，从而 取k ：补短，提高风电机组性能。另外，改善轴传动效率，满足高风速或低风速地区 以及复杂地形的运行要求等也是风电机组设计的发展趋势。( 4 ) 智能最大风能跟踪 控制，研究人类智能一直是科学发展中最有意义，也是空前困难的挑战性问题之 。其中，基于数据的机器学习是现代智能技术的一个重要分支，研究从观测数 据 l ；发寻找规律，对无法观测数据或高成本观测数据进行预测，建立一种基于风 能孪、! j j i ：信息提取的新型智最大风能捕获控制算法，避免对风速的实时测量，这种算 法具有可移植性，具有可靠性高，成本低等特点，是解决风电机组控制问题的重要 途径之一。 1 2 2 最大功率追踪控制策略的研究现状 在风速一定的情况下，叶尖速比最优，才能得到最大的机械功率，因此，当 风速改变时，风力机转速应相应的改变以维持最优的叶尖速比，达到最大风能追 踪的目的哺 6 。常用的最大风能追踪的方法有以下四种： 1 叶尖速比控制 8 鲫 根据风速的不同，按风轮机最佳功率负载线得出对应的最大功率值，并与发 电机的输出功率值相比较得到误差量，经过p i 调节器给出发电机可控参数的值， 调f j 发电机的输出电流的大小，最终实现发电机的输出功率的调节。该方案有以 下特点： ( 1 ) 榨制原理简单，可以使风轮机工作在最大功率点，换能效率较高； ( 2 ) ；需要时实时测量风速和发电机转速，机械测量增加了系统成本和复杂性，对风 力机，发电机特性的依赖使得系统设计只能是“量体裁衣”。 图1 3 叶尖速比控制原理图 2 功率反馈控制 功率反馈控制n 们的原理如图1 4 所示，不需要知道确切的风力机功率特性， 也不需要测量风速。该方案主要特点： ( 1 ) 挎制方法简单，使风力机工作在最佳功率曲线附近，提高整个风力发电系统风 电转换的效率； ( 2 ) j i 要提供风电机组的最大功率曲线，并通过反馈控制实现最大功率点的追踪， 该鳅人功率曲线只有通过仿真计算或实际测量得到，成本高，可实施性差。 4 硕+ 学位论文 图1 4 功率反馈控制原理图 3 爬山搜索算法控制n k l 2 1 爬山搜索法的基本原理如图1 5 所示。该控制方法的基本原理：将当前风力 机的功率与上一个控制周期的功率值作比较，如果当前功率值减小，那么人为的 扰动值反号，否则保持其符号不变。然后将当前的扰动指令和上个控制周期的扰 动指令相加就得到下一控制周期的扰动指令。可以看出该方案的其主导思想是离 散迭代控制，也是一种局部搜索算法。它有以下特点： ( 1 ) 它对风轮机功率特性了解的要求高，不需要事先知道具体j x l 力机的功率特性曲 线，所以系统具有较强的自适应能力。 ( 2 ) 要求转速对风速变化有瞬时的响应特性，而风力机是一个大时滞系统，爬山 搜索法的实际控制效果并不理想。 图1 5爬山搜索法原理图 4 模糊控制和神经网络控制。以模糊控制和神经网络控制为代表的只能控制具有 非线性，变结构，自寻优等特点，较好的克服了系统参数的时变与非线性因素， 在风电机组控制领域已经逐步得到应用。模糊控制在一定程度上简化了系统结构， 提高了系统的鲁棒性，但是控制精度不高，同时需要专家知识，缺乏自适应能力。 神经网络控制具有较强的非线性映射能力和自学习，自收敛性，可以根据历史风 速数据预测风速及其变化规律。然而，由于风能变化的随机性，很难实现真正意 义上的最优控制。 1 3 本论文的主要工作 直驱式永磁同步风力发电系统中，风力机产生的功率与风速和发电机转速密 切稍j 关，且在一定风速下存在一个最优风力机转速点，使得对应风力机的功率最 大。因此，如何根据风速的变化对发电机转速进行控制以使风轮机捕获到最大的 基于最火风能追踪的风速预测研究 风能，对风能系统的整体效率有相当大的影响。因此，最大风能跟踪控制方法成 为提高风力发电效率的关键因素之一。 最大风能追踪控制方法中风速的准确测量对整个控制系统超着至关重要的作 用，风速估计的准确度直接影响输出功率的预测，传统的方法是使用风速计，但 由于风力机处于三维时变的风场环境中，风速计测量得到的风速和作用在风力机 旋转平面上的实际风速有很大差别，因此实际风速的直接测量往往是不准确的， 而且风速计的使用也增加了系统成本，降低了可靠性。本文针对这些问题，在一 种新的最大j x l 能追踪控制策略基础上提出了分别基于径向基神经网络和支持向量 机的风速估计方法，通过仿真研究验证了这些方法在快速性和准确性上有一定提 高。 主要章节安排如下： 第一章，归纳总结了风力发电技术的研究现状及其研究的必要性，重点提出 了风力发电最大风追踪控制系统的风速预测问题。 第二章，系统介绍了直驱式永磁同步风力发电系统的特性，针对最大风能追 踪控制系统进行分析研究，提出放弃风速计而改用智能方法预测风速，并根据模 型建立j x l 速预测所需的样本数据。 第三章，首次将基于ip s o 算法优化的r b f 神经网络应用到基于最大风能追踪 的风速预测研究中，通过与直接使用r b f 神经网络的预测结果比较，得出该优化 方法具有准确性和快速性的特点，为神经网络优化设计在其他领域的推广奠定了 基础。 第四章，提出基于l s - s v m 的最大风能追踪控制系统的风速预测方法，s v m 对 样本数据的数量及分布没有严格的要求，并且l s s v m 将标准s v m 的不等式约束问 题转化为了等式约束问题，大大减小了运算的复杂度，预测结果显示，基于l s s v m 的预测方法，取得了比优化后的神经网络更好的预测精度，且具有较强的可移植 性。 6 硕十学位论文 第2 章直驱式永磁同步风力发电系统 上世纪末，许多欧洲国家开展了无齿轮箱的直驱式风电机组研究，其市场份 额迅速扩大，德国在2 0 0 4 年安装的风电机组中，就有4 0 9 采用了无齿轮箱系统 n 3 1 。随着电力半导体器件和铁磁材料的发展，在直驱式风力发电系统中，占成本 比例相对较高的功率变换器和发电机，其性价比不断提高，这种省去齿轮箱的直 驱式风电系统将成为今后大功率风力发电的主要发展方向。 2 1 系统介绍 直驱式永磁风力发电控制系统结构如图2 1 所示。整个系统主体由风力机， 永磁同步发电机，不控二极管整流器，d c - d c 升压斩波电路和逆变器等5 部分组 成。控制电路主要有两部分：实现最大风能追踪的控制电路和实现安全并网的逆 变器控制电路。该系统中，风力机直接耦合低速多极交流永磁发电机的转子，发 电机输出电流经不可控整流后，由电容滤波，再经逆变器将能量输出。由于系统采 用交一直一直一交的变频方式，整流部分不可控，控制的过程由d c - d c 变换的m o s f e t 和可控逆变器来实现，当风速低于额定风速时，通过d c - d c 变换来控制发电机转 速，从而实现最大风能追踪的目标。通过控制逆变器输出电流的频率，幅值和相 位追踪电网参数实现安全并网运行。 2 2 风力机控制 风力发电控制系统 图2 1 直驱式永磁同步风力发电系统结构 风力发电系统存在两个能量转换的过程，第一个就是风力机叶轮捕获风能将 其转换为叶轮旋转的机械能，并通过传动轴传递给发电机组。在这个能量转换过程 中，风力机的特性影响到风力机捕获风能的大小。 7 基丁最人风能追踪的风速预测研究 2 2 1 风力机的功率特性 风力机的风轮并不能提取所扫过风能的所有功率。根据g e t z 定律，理论上风 力机能够提取的最大功率是风能功率的5 9 3 ，而实际上大多数的叶片转换风能 效率约介于3 0 5 0 ，经过机电设备转换成电力后的总输出效率约介于2 0 - - - 4 5 。 风力机输出的机械功率与风速关系密切，叶片从风中获得的能量与风速的三 次方成正比，目前般风力发电机的起动风速介于2 5 4 m s ，风速在1 2 15 m s 时达到额定的输出功率，为避免过高的风速损坏发电机，风速达到2 0 - 2 5 m s 时， 将强制风力机停机，如图2 2 所示。 图2 2 风力机运行区域曲线 图2 2 中，c u t - ins p e e d 为风力发电机组的切入风速，即风力发电机组丌始 输出有用功率时，作用在风力机上的最小风速。c u t - o u ts p e e d 为风力发电机组 的切除风速，即能够使风力发电机组j 下常工作的最大风速，超过此风速，风力发 电机组将与电网断丌。r a t e ds p e e d 为风力机运行的额定风速，是风机在匹配的 动力带动下能正常工作，以最佳效率运行时的j x l 速。 在切入风速到额定风速之间，j x l 力机的输出功率己j 下比于风速儿的三次方， 可以将风力机获取的风能所表示如式( 2 1 ) 。 巴= 去p 以，沙2 坨 ( 2 1 ) 二 兄：堡：望( 2 2 ) 匕圪 式中：只一风力机吸收的功率( w ) p 一空气密度( k g m 3 ) 圪一风速( m s ) ，一风力机叶轮半径( m ) 缈。一风力机转速 c 。一风能利用系数，反映了风轮机利用风能的效率，它是叶尖速比名和桨 距角的函数。 本文选用风力机的参数如表2 1 所示 硕十学位论文 表2 1 风力机参数 r a t i n g1 ( m w ) r a t e dw i n ds p e e d12 3 5 ( m s ) b l a d er a d i u s2 8 0 3 ( m )c u t i ns p e e d 4 ( m s ) a i rd e n s i t y 1 2 2 5 ( k g m 3 ) c u t - o u ts p e e d 2 5 ( m s ) r a t e ds p e e d 2 8 0 3 ( r a d s ) b l a d ep i t c ha n g l e0 0 风能利用系数c ，的表达式为： c p - o 7 3 c 等一o 5 8 - 0 0 0 0 2 川力p t - 1 8 4 其关系式如图2 3 所示。 五= t j 丽 名一o 0 2 f l 3 + l ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 3 风力机功率系数曲线 由图2 3 所示，可以得到在不同的( 届 殷 屈 尾 压) 值时，获得相 对应的c ，嘲。及。在为零时，c p 。为全部旋角中的最大值。本文在进行基于 最大风能追踪控制的风速预测的过程中，就是假设= 0 。在同一个风速下，不同 的转速会使风力机输出不同的功率。只要能够根据风速的变化，适当的调整风电 机组转速，使旯始终为最优值丸就可使风力机运行在最佳功率点上，获得最大 的风能转换效率。 2 2 2 风力机发电机运行原理 变速恒频风力发电机组根据风况的不同可以分为三种不同的运行状态，如图 2 4 所示。第一种状态如图2 4 的o a 段，发电机的转速由零上升到切入速度，此 时发电机在风力机带动下做机械运动但不工作，不涉及发电机转速的控制。第二 种状态如a b 段，是风力发电机组切入电网运行在额定风速以下，发电组开始工作， 将机械能转化成电能，但由于受到发电机极限转速的限制，该状态又可以分为两 个运行区域：变速运行区域( a b 段) 和恒速运行区域( b c 段) 。由于在变速运行区 域时应该保持c 。恒定为最大值，所以也称为c 。恒定区域。第三种运行状态( c o 9 基丁最大风能追踪的风速预测研究 段) ，当风速超出额定风速很多时，风力发电机组的机械和电气极限要求发电机转 自速度和输出功率维持在限定值以下，保持恒定的功率输出。 已 l c d 图2 4 发电机运行区域曲线 ( 1 ) c p 恒定区 当风速达到起动风速后，风力机转速由零增大到发电机可以切入的转速缈胁， 风力发电机组开始进入发电运行状态，根据风速的变化对发电机转速控制，使c 。 不断上升，直至c 。= c p 。觚，进入c 。恒定区，这时机组在最佳状态下运行。这段区 域主要是通过控制发电机的电磁转矩，使转速随着风速的变化而变化，维持风速 与转速之比恒定，使名= 无实现最大风能追踪。具体的实现过程是：如图2 5 所示，一组风速数据v ， v ， 1 ，只。，是各风速下最大功率点的连接曲线，即最大 功率曲线。假设系统稳态运行在风速y ，下的。，曲线的a 点上，那么风力机的输出 功率和发电机的输入机械功率平衡，都为只值，风力机稳定运行在转速劬上。如 果在某时刻风速升高至v ，风力机就会由运行点a 跳至点b 运行，其输出功率由 突变至只。由于惯性作用和调节过程的滞后，发电机仍暂时运行在a 点，此时风 力机的输出功率大于发电机输入功率，功率的不平衡导致发电机转速上升。在转速 增加的过程中，风力机和发电机分别沿着b c 和a c 曲线增速。当到达风力机功率曲线 与最佳曲线相交的c 点时，功率再一次平衡，转速稳定为缈：，也就是对应于风速屹 的最佳转速。通过以上分析得到，在最大风能追踪的过程中，风速变化时，对风 速的准确测量，建立转速与j x l 速之间的直接对应关系是至关重要的。 图2 5 风力机的功率特性 1 0 硕士学位论文 ( 2 ) 转速恒定区 随着风速的增大，机组的转速也在增大，最终达到机组允许的最大转速国。 但只要电机输出功率低于允许的最大功率，转速便保持这一最大转速缈。不变，如 果风速继续增大，则根据( 2 2 ) 式控制发电机的转速值为缈。，即减小叶尖速比， 相应的c 。值也减小，机组的功率仍然继续增大，控制系统按恒转速控制方式工作。 ( 3 ) 功率恒定区 随着风速的继续增大，机械及电气器件受到功率的限制，发电机和功率变换 器最终达到功率极限。根据公式( 2 1 ) ，此时应该快速的降低c 。值，c 。值的降 低又有两种方式，一种是增大桨叶节距角，此种方法常用于带有齿轮箱的风力 发电机组；另一种方法是迅速的降低发电机的转速，在直驱式风力发电系统中， 由于风力机和发电机转子直接相连，使用这种方法能提高其快速性。在这个运行 区域，就是限制风力机从风中捕获的风能，使得c 。值迅速降低以限制气动转矩， 维持输出功率不变。 在追踪最大风能运行的c 。恒定区，是要通过风力机与发电机的配合，使机组 在不同的风速时运行在不同的转速下，保持c 。= c p 。，不变，最大限度地捕获风能。 转速恒定区和功率恒定区主要靠调节风能利用系数c 。，调节系统根据输出功率的 变化限制风力机捕获的风能，使发电机的输出功率保持在额定功率范围内。 风力机从风中捕获最大机械功率时，发电机的输出功率也必须相应地与之配 合，通过控制功率变换装置，维持系统最大输出功率。在大部分时间罩，风电场 中风速较低，因而额定风速以下的变速恒频运行状态为主要的工作方式，也是经 济高效的运行方式，这种情况下变速恒频的风力发电系统控制目标就是追踪最大 风能，直驱式永磁同步发电系统的控制策略也主要是针对这一目标提出来的。 2 3 发电机与逆变器控制 风力发电系统另一个能量转换的过程就是发电机组将机械能转换为电能，并 通过输电线路输送到电网或者负载。在这个能量转换过程中，发电机组的控制影响 到系统发电效率以及供电质量等问题。 2 3 1 发电机控制 以控制电机侧整流二极管输出的直流电压为目标的控制方案主要通过控制直 流电压来控制发电机转速，进而获得最大风能。因为发电机的转速( 即风轮的转 速) 是由原动力的转矩和发电机的电磁转矩决定，只要根据原动力的转矩控制好 发电机的电磁转矩就可以控制转速。本文通过控制d c d c 升压电路来控制直流电 流进而控制发电机的转速。 为了