（控制科学与工程专业论文）海上风电m灰色预测模糊控制的研究.pdf

独创性声明 l i l t lli ii iti ii ii l l liil y 18 8 0 4 0 5 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：盘篮日期：垫! ! ：塑 f 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签鼽卡佐香导师( 签鼽鼢复日期功f 么 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 节能与环保既是我国走可持续发展道路的要求，也是自动化的发展方向。 随着能源短缺和环境问题的日益突出，它也逐渐成为了当今科技发展的热点。 海上风资源丰富、稳定，而且不占用宝贵的土地资源。海上风电已经成为世界 风电发展的新方向。 本文研究了海上风能转换原理和海上风力发电系统的运行原理。采用变速 风力机、永磁同步发电机、二极管整流电路、d c d cb o o s t 电路及电压源型逆 变器构建了海上风电系统，阐述了具体在风速改变情况下系统如何达到最大功 率的跟踪。 一个先进的最大功率点跟踪控制策略能够在海上风电系统中起到良好的控 制效果，不仅与风电系统所采用的拓扑结构有关，与自身的控制方式也紧密相 关。本文在对常用的几种最大功率的跟踪控制策略分析研究的基础上提出了以 预测输出功率和理想输出功率的误差和误差变化率等数据确定调节因子的灰色 预测模糊控制策略。 由于对海上风电系统的建模和仿真是理解和验证海上风电系统特性和最大 功率点跟踪控制策略的可行性的重要手段。因此本文在m a t l a b 软件的s i m u l i n k 环境下对所研究的风电系统作了建模和仿真。仿真结果充分验证了本文所提出 的灰色预测模糊控制策略的正确性和可行性。 关键词：可再生能源；海上风力发电；最大功率点跟踪；灰色预测模糊控制 r e s o u r c e so fo f f s h o r ew i n da r er i c h , s t a b i l i t ya n di td o e s n tt a k ep l a c e o f f s h o r ew i n d p o w e r h a sb e c o m et h en e wd i r e c t i o no ft h ew o r l d sw i n dp o w e r t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n v e r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo f f s h o r ew i n d p o w e rs y s t e ma r ea n a l y z e di n t h i st h e s i s v a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n e 、p e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o r 、d i o d er e c t i f i e r 、d c - d cb o o s t c o n v e r ta n dv o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r , a r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i sf o re s t a b l i s h i n go f f s h o r ew i n dp o w e rs y s t e m t h i st h e s i s e x p o u n d sb o w t og e tt h em a x i m u mp o w e rp o i n tw h e nt h es p e e do fw i n dh a sc h a n g e d a na d v a n c e dm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gc o n t r o l ( m p p t ) s t r a t e g yo fa o f f s h o r ew i n dp o w e rs y s t e mw h i c hi se x p e c t e dt ow o r kw e l l ，r e l i e sn o to n l yo nt h e c o n v e r t e rt o p o l o g yw h i c hi sa d o p t e db yo f f s h o r ew i n dp o w e rs y s t e m ，b u ta l s oo nt h e c o n t r o lm o d eo fi t so w n b a s e d0 1 1t h es t u d yo fn o r m a lm a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n gs t r a t e g y s ，an o v e lm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs t r a t e g yi sp r e s e n t e d i nt h e g r e yp r e d i c t i v ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c he s t i m a t e st h er e g u l a t o r yf a c t o ra c c o r d i n g t ot h ev a r i a t i o n so ft h ee r r o ro ft h es y s t e m so p e r a t i n go u t p u tp o w e ra n di d e ao u t p u t p o w e r 、i t ss p e e da n dt h u s o f f s h o r ew i n dp o w e rs y s t e mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na r ee s s e n t i a lm e t h o d s b o t hf o ru n d e r s t a d n d i n gt h es y s t e mb e h a v i o ra n dv a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs t r a t e g y s ot h eo f f s h o r ew i n dp w e rg e n g e r a t i o n s y s t e m ss t u d i e di nt h i st h e s i sa r em o d e l e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa d e q u a t e l yc o n f i r mt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n gs t r a t e g yw h i c hi sp r e s e n t e d i nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：r e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e s ；o f f s h o r e w i n dp o w e r ；m p p t ；g r e y p r e d i c t i v ef u z z yc o n t r o l u 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论一1 1 1 选题背景及意义l 1 1 1 能源危机与环境污染问题1 1 1 2 我国发展海上风电的必要性2 1 2 海上风电发展现状3 1 2 1 世界海上风电发展现状一3 1 2 2 国内海上风电发展现状4 1 3 本文的主要研究内容。6 第2 章海上风电的总体设计7 2 1 海上风能转换的基本原理。7 2 2 系统的拓扑结构8 2 2 1 三相不可控整流1 2 2 2 2b o o s t 电路13 2 2 3 电压源型逆变器15 2 3 海上风电最大功率点跟踪的原理1 5 2 4 本章小结l8 第3 章灰色预测模糊控制的m p p t 实现一1 9 3 1 最大功率点跟踪算法的分类1 9 3 2 灰色预测模糊控制2 4 3 2 1 传统p i d 控制2 4 3 2 2 模糊控制2 4 3 2 3 灰色预测系统3 0 3 2 4 灰色预测模糊控制3 2 3 - 3 最大功率点跟踪稳定性分析3 4 3 4 本章小结3 6 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统建模与仿真分析3 7 4 1 系统模块建模3 7 4 1 1 风速模型3 7 4 1 2 风力机模型3 8 4 1 3 永磁同步发电机模型3 9 4 2 系统仿真分析4 3 4 2 1 风力发电机转速的控制4 5 4 。2 2 海上风电m p p t 的控制4 7 4 3 本章小结4 9 第5 章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 0 参考文献一5 l 致谤 5 4 攻读硕士学位期间发表的论文5 5 w 1 1 选题背景及意义 1 1 1 能源危机与环境污染问题 2 0 世纪5 0 年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国 际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯 竭，能源危机将是不可避免的。如果不做出重大努力去利用和开发各种能源资 源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。世界经济的现代化， 得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛投入应用。因而它 是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在 2 1 世纪上半叶迅速地接近枯竭。在上海首发的2 0 1 0 年 b p 世界能源统计显 示，经济衰退拖累2 0 0 9 年能源消费走低，去年全球一次能源消费下降了1 1 ， 这也是自1 9 8 2 年以来的首次下降。依据 b p 世界能源统计，截止2 0 0 9 年底， 全球石油探明储量达1 3 3 3 1 亿桶，其中包括处于积极开发阶段的加拿大油砂储 量和由委内瑞拉政府上调的本国官方储量。以2 0 0 9 年的年开采速度计算，现有 的石油储量还可开采4 5 7 年。以同样的方式计算，现有天然气储量能满足6 2 8 年的开采，而煤炭储量可生产1 1 9 年。可见，世界资源每年都在减少。事实上， 近1 0 年来中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引 发；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。 总之，能源危机迟早会爆发：它的爆发将具有爆炸性。大力发展可再生能源， 用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，这不仅是出 于生存的原因，与之相连的还有世界经济的持续发展。 环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响，比如沙漠化和森林破坏， 也会给人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比当时造成 的直接危害更大，也更难消除。在环境污染分类中，最直接最严重而且占用比 重最大的空气污染主要来自工厂、汽车和发电厂等等放出的一氧化碳和硫化氢 等。可以看出，这些污染来源与能源息息相关。回顾全球环境污染事件：北美 武汉理工大学硕士学位论文 死湖事件、卡迪兹号油轮事件和墨西哥湾喷井事件等，哪一件不是与能源有着 千丝万缕的联系。为了防治环境污染，我国相继颁布了中华人民共和国环境 保护法、中华人民共和国水污染防治法、中华人民共和国环境噪声污染防 治法等一系列法律【2 】。早在1 9 8 3 年，我国政府宣布把环境保护列为一项基本 国策，在2 0 1 1 年1 月6 日举行的全国能源工作会议上，国家能源局透露，能源 发展“十二五”规划的编制工作将加快完成，并尽快上班国务院审议。开发风能 和太阳能等清洁能源，发展可再生能源产业等支持新能源发展的方针，被明确 写进了2 0 1 1 年中国政府工作报告。解决新型无污染能源中的技术问题也当今社 会关注的重点。 1 1 2 我国发展海上风电的必要性 能源的发展促进了人类的进步，创造了现代文明。煤的利用将人类带入了 蒸汽机的时代，石油的利用使人类实现了交通现代化，电能的利用又将人类带 入了五彩缤纷的世界。为了不断提高人类的生活质量，各国正在积极推进以电 作为终端消费能源的进程，全球经济电气化的趋势日益明显。无论是发达国家 还是发展中国家，对电能的需求都在不断增长。 中国是个人口大国，对电量需求自然也十分巨大。按照我国的发展战略， 我国要在本世纪中叶前达到中等发达国家的水平，其人均电量消费水平必须达 到英、法、德、意的水平，即年人均用电量5 5 0 0 , - 6 0 0 0 跚l 。 i e a 国际能源机构做的2 0 5 0 年风电预测是，到2 0 5 0 年全球1 2 的电力来 自风电，容量达到2 0 亿千瓦；在2 0 1 0 年到2 0 5 0 年之间，需要投资3 2 0 0 0 亿元； 风电成本到2 0 5 0 年要下降2 3 ，海上风电技术需要进一步发展，预计到2 0 5 0 年成本会下降3 8 ；电力系统的灵活性必须得到加强，智能电网技术可以大大 增加其灵活性。 比较下可得出以下几点：第一，我们现在目标超过了l e a 的预测，到2 0 3 0 年风电装机肯定能达到3 亿千瓦。第二，实现这些目标的投资也没有问题，中 国已经成为世界上可再生能源和新能源投资最大的国家。第三，成本要逐渐下 降，我国通过前几年的发展，成本明显下降了，但是对于成本的理解各国有所 不同，目前我们仅仅是说风电的上网成本。第四，中国的海上风电虽处于示范 阶段，但确实是大手笔，全球截至2 0 0 8 年也就1 5 0 万千瓦的装机，我国示范项 目就达到1 1 0 万千瓦，要不了几年，中国海上风电就会成为全球第一。但我国的 2 武汉理工大学硕士学位论文 海上风机，基本上是陆上风机的海洋化，来不及做那么多的技术准备。如何处 理快和好的关系，我认为是值得认真考虑的。所以在技术准备不足的时候，宁 可进一步做好技术准备工作，但我国风电产业的科技投入还是不够3 1 。 1 2 海上风电发展现状 1 2 1 世界海上风电发展现状 近年海上风电装机容量继续增长。截至2 0 0 9 年底，全球共有1 2 个国家建 立了海上风电场，其中1 0 个位于欧洲，中国和日本有小规模的安装。世界海上 风电累计装机容量达2 1 1 0 m w ，较2 0 0 8 年增长4 8 5 ，占到全球风电总装机容 量的1 2 。2 0 0 9 年世界海上风电新增装机容量达6 8 9 m w ，同比增幅超过1 0 0 ， 新增装机容量最大的前五个国家分别为英国、丹麦、中国、德国和瑞典。表1 1 与表1 2 为2 0 0 9 年世界海上风电安装情况【4 】。 表1 12 0 0 9 年世界海上风电安装情况 2 0 0 9 年底2 0 0 9 年新增2 0 0 8 年底海上2 0 0 8 年新增 排国海上风电累海上风电装风电累计装机海上风电装 名家计装机容量 机容量( m 、聊容量( m 哪机容量( m w ) ( m w ) 1 英国 8 9 43 0 65 8 8 1 9 4 2丹麦6 2 5 9 2 2 8 2 9 7 9 o 3荷兰2 4 6 8 0 2 4 6 81 2 0 4 瑞典 1 6 3 33 01 3 3 30 5中国6 3 6 30o 6 德国 6 06 0o0 7 比利时 3 0o3 03 0 8爱尔兰2 5 o 2 5 o 9挪威2 32 30o 武汉理工大学硕士学位论文 表1 22 0 0 9 年世界海上风电安装情况 英国丹麦瑞典 德国 挪威 风机数量( 台) 8 49 81 061 装机容量( m w ) 2 8 4 42 3 0 3 0 3 0 2 3 风场数量( 个) 321 l 1 欧洲是海上风电发展最快的地区。根据欧洲风能协会( e w e a ) 的最新统计， 2 0 0 9 年欧洲水域的八个海上风电场总计安装1 9 9 台海上风力涡轮机并实现了并 网，总容量为5 7 7 m w ，较2 0 0 8 年增幅超过5 0 。其中，最小装机容量为2 3 m w ( 挪威的h y w i n d ) ，最大装机容量为2 0 9 m w ( h o r n sr e v2 ) 。另外，欧盟1 5 个成 员国和其他欧洲国家，有超过1 0 0 g w 的海上风力发电项目正在规划中。 目前，海上风电机组基本上是根据海上风况和运行工况，对陆地机型进行 改造，其结构也是由叶片、机舱、塔架和基础组成。海上风电机组的设计强调 可靠性，注重提高风机的利用率、降低维修率。当今，海上风电机组呈现大型 化的趋势，国外主要风机制造商生产的海上风电机组主要集中在2 - - - s m w ，风叶 直径在7 2 1 2 6 m 。海上和陆上风电机组的主要差别在于基础【5 】。为了承受海上的 强风载荷、海水腐蚀和波浪冲击等，海上风电机组的基础远比陆上的结构复杂、 技术难度高、建设成本高。 1 2 2 国内海上风电发展现状 目前，国内海上风力发电开发依旧处于起步阶段，已建设的海上风电主要 在滩涂和潮间带，风力发电大部分采用围堰方式，近海相关开发和建设也只是 开展了一些实验性和示范性的工作。现存的几个重点风电开发项目如表1 - 3 。 表1 3 国内海上风电重点开发项目列表 地区场址项目类型安装台数容量( m 哪 江苏大丰滩涂潮间带 l2 江苏 响水 滩涂潮间带 l2 江苏如东滩涂潮间带 12 江苏如东滩涂潮间带 23 江苏灌云燕尾港滩涂潮间带 48 江苏盐城陈家港滩涂潮间带 4 16 1 5 山东 荣城滩涂潮间带 26 上海东海大桥海上风电示范项目 2 1 6 3 汇总7 31 4 7 5 4 武汉理工大学硕士学位论文 在陆地风电连续数年高速增长之后，从今年开始，我国的海上风电建设也 将起步。国家能源局新能源和可再生能源司副司长史立山3 月1 8 日表示，今年 将把海上风电作为最重要的任务来抓，很快将组织大型海上风电特许权项目的 招标。史立山是在3 月1 8 日召开的“回顾与展望：可再生能源产业发展论坛”上 作上述表示的。他指出，海上风电是风电产业未来发展的前沿，市场前景广阔， 我国已具备一定的技术基础，力争今年在海上风电建设方面迈出实实在在的步 伐。经过2 0 0 4 年以来的连年翻番，截至去年年底，我国陆地风电装机已经超过 2 5 0 0 万千瓦，位居全球第二。但在海上风电方面，由于运行环境复杂，技术要 求高，施工难度大，我国还处于起步阶段，尚未启动规模化的海上风电项目。 根据国家发改委能源所的评估，我国近海海域风电装机容量可达l 亿至2 亿千 瓦，海上风电开发前景广阔。为了通过试点项目积累经验，从2 0 0 8 年开始，我 国动工建设了第一个大型海上风电项目匕海东大桥1 0 万千瓦海上风电项 目。该项目采用了我国最大风机制造商华锐风电自主研发的3 4 台3 兆瓦海上风 电机组，目前已经完成风机安装。此外，中电投、龙源电力、华能新能源等企 业，也已开始在江苏大丰、如东、荣城等沿海城市，开展近海风电和海上风电 实验。设备制造方面，除华锐风电外，金风科技、东汽等风电设备制造商，也 在加紧研制1 5 兆瓦及以上的海上风电机组。史立山表示，今年将把海上风电作 为风电产业发展的重点，很快将组织大型海上风电特许权项目的招标。去年4 月，国家能源局曾下发通知，要求各省制定海上风电场工程规划，并且按照统 一规划、分期建设原则，优化选定几个装机1 0 0 万千瓦以上的海上风电场场址， 提出分期建设方案，并且由所在区域的电网公司组织、编制海上风电输电规划。 据了解，目前各省海上风电场规划已经基本编制完毕，在此基础上启动海上风 电特许权招标，将为今后大规模发展海上风电项目积累经验【6 j 。 2 0 1 0 年1 月2 2 号，国家发布海上风电开发建设管理暂行办法，同时启 动了首批海上发电特许权项目的申报。种种迹象表明，国家开发沿海风电资源 步伐正在逐步加快。随着管理办法的出台，国家能源局也启动了海上风电首批 特许权招标，并且已经向辽宁、河北、天津、上海、海南等1 1 个省份有关部分 下发了通知，要求各地申报海上风电特许权招标项目。无疑，中国海上风电正 在逐步发展。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 永磁直驱风力发电系统为本文的研究对象，对海上风电的总体设计、系统 框架和控制策略做了较深刻的理论分析和实验仿真，对实现海上风电系统的优 化与可靠运行以及能量的有效利用方向有重要意义。本文研究的主要内容和章 节安排如下： 第1 章介绍了研究海上风电的背景及意义，目前国内外该领域发展的概 况。说明了我国发展发展海上风电的必要性。 第2 章在海上发电系统的基础上，提出了系统的总体设计与拓扑结构， 介绍海上风力发电及其最大功率点跟踪的原理。比较几种拓扑结构的特点，并 阐述本文选用该拓扑结构的原因。针对本文研究，选择拓扑结构中的电力电子 环节进行分析。 第3 章介绍了几种最大功率点跟踪的几种控制算法，并在此原理上研究 了灰色预测与模糊控制在海上风力发电中的应用。说明灰色预测模糊控制在海 上风力发电最大功率点跟踪上的可行性、可靠性和优化性。 第4 章在计算了海上风力发电的数学建模之后，针对海上风力发电最大 功率点跟踪进行m a t l a b 仿真与分析，阐述灰色预测模糊控制在这方面的应用。 第5 章总结了本文研究的主要工作和存在的问题，对未来海上风电最大 功率点跟踪提出了更高的展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章海上风电的总体设计 2 1 海上风能转换的基本原理 风力机的作用是将风能转换为机械能。由于流经风力机后的风速不可能为 零，因此风所拥有的能量不可能完全被利用，也就是说只有一部分能量被吸收， 成为叶片的机械能。 贝兹( b c t z ) 假设了一种理想的风力机，即假定风力机是一个平面浆盘( 没 有轮毂，叶片无穷多) ，通过风力机的气流无阻力，并且整个风力机扫掠面上的 气流是均匀的，气流速度的方向在通过风力机前后都是沿着风力机轴线的【7 1 。 设k 为风力机前方远处的风速，形为通过风力机截面彳的实际速度，巧为 风力机后方远处的风速，通过风力机的气流在风力机前面的截面为4 ，在风力 机后方的截面为4 ，风力机远处的压力为p l ，风激励前后的压力为见和见【8 】。 显然，在单位时间内，从风力机前到风力机后气流动能的变化量就是为风力机 所吸收并使风力机旋转的风能形，即： 、 形= 华一华：i 1p a 嘲：一呼) ( 2 - 1 ) 式中，m 为单位时间内流过风轮截面的空气质量。 m - - - p ak ( 2 - 2 ) 风力机在单位时间内接受的动能，也可以用风作用在风力机上的力与风力 机截面处的风速之乘积来表示，即： 形= f k( 2 3 ) 合并式( 2 - 1 ) 和( 2 3 ) ，得： 1 f = p 么( k 2 一嘭) ( 2 4 ) 根据流体的动量方程，风作用在风力机上的力等于单位时间内通过风力机 选择面的气流动量的变化，即： f = m k m 吒= p 彳k ( 巧一圪) ( 2 - 5 ) 合并式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，得： 7 武汉理工大学硕士学位论文 k ：华( 2 - 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 - 1 ) ，得： 形= 丢础巧+ v 0 ( v , 2 一呼) ( 2 - 7 ) 通常，速度巧是已知的，所以w 可以看成圪的函数，矿对圪求导d d 圪， 并使之为零，则得： 匕：姿( 2 - 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，得到风力机可能吸收的最大风能为： 形= 寺p 彳巧3 ( 2 - 9 ) 最大能量只有在工作中毫无损耗的风力机( 理想风力机) 中才能得到，并 转换为风力机机械能。取单位时间内风力机所吸收的风能w 与通过风力机旋转 面的全部风能之比为风能利用系数q ，即： q = 老 ( 2 - 1 0 ) 式中，呢= 芝i p a v 。3 ，当= t 巧时，得到理想风力机的最大理论效率，即贝兹极 限值。 c p = 互1 6 7 = 0 5 9 3 ( 2 - 1 1 ) 2 2 系统的拓扑结构 自2 0 世纪8 0 年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变 速恒频的发展，期间电力电子变流技术发挥了巨大的作用。本文选取了直驱型 风力发电系统作为课题的研究对象，运用在海上风力发电这一具体环境，对电 力电子变流技术在海上风电中的运用进行阐述，力求在理论上展现两者之间的 密切联系。同时，直驱型风力发电系统变流技术种类繁多、灵活多变、代表性 强，代表了海上风电技术的崭新发展方向。 直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接相连，不需要升速齿轮箱。 武汉理工大学硕士学位论文 首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，然后 经过三相逆变器变化为三相频率恒定的交流电连接到电网【9 】。通过中间电力电子 变化环节，对系统的有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率的跟踪，最 大效率的利用风能。 直驱型风力发电系统中的电力电子交流电路可以有不同的拓扑结构。本文 在阐述选用的拓扑结构的同时介绍了其它几种拓扑结构，并进行相应的比较， 说明本文选用该拓扑结构的缘由。图2 1 为本文选用的不可控整流器后接直流侧 电压稳定的p w m 电压源型逆变器拓扑结构。 图2 - 1 海上风电系统拓扑结构 该拓扑结构包括以下几个组成部分：风力机、永磁同步发电机、不可控整 流器、d c d cb o o s t 电路、电压源型逆变器和变压器。通过d c - d cb o o s t 升压 环节，可以解决p w m 逆变器输入电压很低时p w m 逆变器运行特性差的缺点。 它通过b o o s t 环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围内，使逆变器 的调制深度范围大、提高运行效率、减少损耗。同时，b o o s t 电路还可以对永磁 同步发电机输出侧进行功率因素校正。由于不可控整流器的非线性特性，整流 器输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因素降低， 发电机转矩发生振荡。可以通过功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o np f c ) 技术， 改变开关管的占空比，使发电机输出电流保持正弦，并保持与输出电压同步【l o j 。 结合本文研究，海上风电系统运行控制的总体方案为：风速v 和永磁同步发 电机输出功率作为风力机的输入信号，产生机械转矩l 。转矩已直接驱动永磁 同步发电机发电，经整流电路和d c d cb o o s t 电路提供负载。d c d c 斩波器用 9 武汉理工大学硕士学位论文 来改变发电机负载特性。采样单元完成负载功率的采样，m p p t 控制单元根据功 率误差和误差变化率调节发电机输出功率，从而达到最大功率跟踪的目的。 就永磁发电机而言，当轴上输入的机械功率大于发电机的输出电功率时， 发电机的转速就会增加：当轴上输入的机械功率小于发电机输出的电功率时， 转速将要下降。在图2 1 所示的系统中，永磁发电机输出端线电压只有在大于三 相不可控整流桥输出端电容的电压时，发电机才有功率输出。而发电机的输出 电压是由转速决定的。发电机的转速越高，输出的电压就越大。由于不可控整 流桥输出端电容上的电压与发电机的输出电压的线性关系，因此，不可控整流 桥输出端电容上电压的大小就决定了发电机输出功率时的转速大小即电容上的 电压越大，相应的发电机发电时的转速就越高【l 。所以，通过改变三相不可控 整流桥输出端电容电压的大小，就可以控制发电机运行时的转速，实现风力机 的变速运行以达到m p p t 控制目的。 海上风力发电除了这种拓扑结构之外，还有以下几种拓扑结构： 1 ) 不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿拓扑结构 如图2 2 所示，系统中逆变器的开关管采用晶闸管。与自关断型开关管( 如 i g b t ) 相比，晶闸管技术成熟，成本低，功率效率高，可靠性高。在过去的几 十年中，相控强迫换相变流器用于高压直流输电系统和变速驱动系统中。早期 的并网风力发电机组基本都是采用晶闸管变流技术。但是，晶闸管变流器工作 时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。为了满足电网谐 波的要求，必须对系统进行补偿。由于变速恒频风力发电机组输入功率变化范 补偿功率 图2 - 2 不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿拓扑结构 l o 围很大，因此补偿的无功功率变化范围也很大。传统的投切电容方式不够灵活， 系统要求电容量可调、响应快速的无功功率补偿装置。通过检测逆变器输入端 电压、电流以及电网的电压值，可以计算出补偿系统的触发延迟角。 晶闸管逆变器成本低，输入电网电流的谐波含量高，为了消除输入电网的 谐波电流，可以加入补偿系统。补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大， 这会增加系统成本。为了更好的消除谐波，可以采用多脉冲晶闸管等方法，但 是会使系统成本有所增加。 2 1 不可控整流器后接直流侧电压变化的p w m 电压源型逆变器型拓扑结构 如图2 3 所示，这种拓扑结构的特点是将频率和幅值都变化的交流电经过不 可控整流器变为直流电后，直接通过p w m 电压源型逆变器并入电网。p w m 电 压源型逆变器与晶闸管逆变器相比，由于提高了开关频率，对电网的谐波污染 大大减少，而且可以通过控制逆变器的输出调制电压的幅值和相位来灵活的调 节系统输出的有功功率和无功功率，从而可以调节直驱型发电机的转速，是其 工作在最佳叶尖速比状态，捕获最大的风甜1 2 j 。 图2 3整流器后接直流侧电压变化的p w m 电压源型逆变器型拓扑结构 由于逆变器德输入电压为不可控整流器的输出，而发电机在不同转速下输 出电压不同，因此逆变器输入侧的电流电压一直在变化。p w m 逆变器可以通过 改变调制比来实现并网电压的频率、幅值恒定。当风速较低时，p w m 逆变器输 入电压很低，为了并网，必须提高逆变器的调制深度，而这会导致逆变器运行 效率低、开关利用率低、峰值电流高和传导损耗大。 3 1p w m 整流器后接电压电压源型p w m 逆变器型拓扑结构 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4p w m 整流器后接电压电压源型p w m 逆变器型拓扑结构 将图2 - 3 结构中的不可控整流桥部分换成p w m 整流器，得到图2 - 4 所示的 p w m 整流器后接电压源性p w m 逆变器型拓扑结构。前面提到，不可控整流桥 的非线性特性，使整流桥输入侧电流特性畸变很严重，因此可以采用p w m 整流 技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。此时，一个b o o s t 型p w m 整流器就可以同时实现整流和升压的作用。 由p w m 整流器的特点决定，通过解耦控制，可以实现发电机的单项功率因 数输出【1 3 】。同时，通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，可以实 现对发电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制。因此，整个系统控制方法 灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性。 这种结构的主要缺点是：前段的p w m 整流器会大大提高系统的成本，虽然 能够提高系统的性能，但是在大功率场合中性价比不如第三种结构，因此，一 般只有在小功率系统中采用。 针对本文电力电子部分，在下面的章节中会做具体阐述。 2 2 1 三相不可控整流 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电变换为 直流电，应用十分广泛。 可从不同的角度对整流电路进行分类，通常的分类有：按组成器件分为不 可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入 相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单相或是双向， 可分为单拍电路和双拍电路。 1 2 用【1 4 】。由于不可控整流电路中采用的电力电子器件是整流二极管，因此也称这 类电路为二极管整流电路。本文正是选取这种拓扑结构。 不可控整流电路按交流输入相数可分为单相不可控整流电路与三相不可控 整流电路两大类。 三相不可控整流电路的工作原理为：当某一对二极管导通时，输出的电流 电压等于交流侧线电压最大的一个，该线电压向电容供电，给电容充电。当没 有二极管导通时，电容向负载供电，电容电压按指数下降。 由整流电路中电压下降速度相等的原则，可以确定交流侧直流侧充电电流 连续与断续的临界条件：缈尺c = 3 ，式中c 为滤波电容值，r 为负载阻值( 理想 情况下) 。 当国尺c 3 时，电流是连续的；当国尺c 3 时，电流是断续的。对于某 一个特点的整流电路而言，通常发生变化的是负载的大小。 为了抑制交流侧向直流侧充电电流的冲击，通常在电路中介入交流侧电感 用以平缓电流波形，保证电路的正常工作。 当整流电路空载时，输出电压的平均值最大，此时配= 4 6 u , ，其中玑为 输入的线电压。当负载增大至电流进入连续状态时，输出电压波形为线电压的 包络线，平均值为= 2 3 4 u l 且不再发生变化。 输出电流的平均值i r = r ，由于电容支路上的平均电流为0 ，所以有 厶= ，。每个整流二极管所承受的最大反向电压为线电压的峰值，即6 u 一 2 2 2b o o s t 电路 在前面小节中我们提到了本文选用的拓扑结构，也说明了本文选用该拓扑 结构的缘由。在此基础上我们着重阐述本选题中为最大功率点跟踪服务的b o o s t 电路。 b o o s t 斩波器是常用的d c d c 升压斩波器，其拓扑结构如图2 5 所示。 图中，u i n 表示输入电压，u o 表示输出电压，r 为负载。采用不同的占空 比控制开关s ，便可以控制输出电压。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5b o o s t 电路拓扑 目前b o o s t 技术中常用的两种p f c 预调整器控制方法是固定频率p w m 和 过度模式p w m 技术。前者利用平均电流模式控制，控制技术及控制芯片较为复 杂，需要较多的外围电路元件，b o o s t 电感工作在连续导通模式下。后者利用简 单的峰值电流控制，只需要很少的外围电路元件，b o o s t 电感工作在介于连续和 断续模式的临界情况下。对于给定的功率输出，t m 方式比f f c c m 方式的峰值 电流更大，因此t m 方式多用于小功率场合，而f f c c m 方式用于大功率场合。 固定关断时间集合了f f 和t m 两者的优点。控制方法和t mp f c 一样简单， 也是利用峰值电流控制，只需在一个标准的t m 控制器核心周围增加几个无源 组件，易于实现。不需要斜率补偿，电路回路无条件稳定【l 引。升压电感器无需 辅助绕组。e m i ( 电磁干扰) 滤波器滤波简易，高频电流纹波和f f c c mp f c 的相同。效率高，传导功耗与f f c c mp f c 的相同；与电容和二极管反向恢复 相关的功耗低于f f c c m 。反向恢复不像在f f c c m 中那样关键。 我们在对照前一节海上风力发电采用的拓扑电路结构后，我们可以对海上 风电b o o s t 电路进行具体分析。如图2 - 6 是海上风电三相单管b o o s tp f c 主电路。 每个开关周期电路有三种工作模式： 工作模式一：功率开关管导通，电感电流线性增加。 工作模式二：功率开关管关断，电感电流通过二极管给电容充电，电感中 电流减少。直到电感中的电流减少为零。 工作模式三：电容对负载放电，直到下个周期开始。 1 4 - 一 王zz 落 ：=v 丫 一 o j s i g n ( a c o ) = 1 ( 3 - 2 ) 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可得= + q 卸。 经过第一次反复，新的运行点变为( ，足) 。重复这个过程知道系统运行点 位( q ，日) ，这时即为风速v l 下的最大功率点。 假如风速由v i 变为吩，新的最优运行点将会从( ，昂) 点开始搜索，则： a p = 昂- g 0 js i g n ( a p ) = l ( 3 - 3 ) a c o = 一q 0 js i g n ( a t o ) = 1 ( 3 - 4 ) 由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 可得o ) r 。f = q + 哆泐。 下一个运行点将会是( ，尼) ，然后与上面的情况类似，风机最后会运行到 最大功率点( 哆，b ) 。现在，假如风速变化为屹，运行点将会移到( ，昂) ，则： a p = 昂一只 0 j s i g n ( a c o ) = 1 ( 3 - 6 ) 止。 由式( 3 - 5 ) 和式( 3 - 6 ) 可得= 鸭一哆卸。 在这种情况下，转速将会降低，风机运行点位( ，弓) 。接着： a p = 尼一弓 0 j 舾l ( = 1 a a o = 一 0 js i g n ( a c o ) = 一1 ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 的时间常数较长， 便于应用及硬件简单； 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 灰色预测模糊控制 在综合分析研究以上三种最大功率点跟踪控制算法优缺点的基础上，本文 提出灰色预测模糊控制m p p t 算法，以功率反馈控制为基础，根据理想功率和 实际输出功率的变化和变化率来调节灰色预测模糊控制器参数，并以此作为调 节图2 1 的海上风电系统拓扑结构中的d c d cb o o s t 变换器p w m 触发脉冲的脉 宽大小，以调节三相不控整流桥输出端电容上的电压值，实现对风力机的变速 控制，实现系统的最大功率点跟踪。 3 2 1 传统p i d 控制 风电机组并网运行后，如果风速发生变化，永磁发电机轴上输出机械功率 发生变化导致电机转速改变，系统输出功率不能保证最大跟踪。通过占空比控 制，改变三相不控整流桥输出端电容电压的大小，维持风电机组在最大功率下 运行【2 5 】。虽然p i d 控制器在较大风速变化范围内能够完成控制任务，但效果并 不十分理想，原因如下： 1 ) 风电机组在额定风速以下运行时，其特性呈现很强的非线性。占空比控 制对应的输出电压变化对风力机最大输出功率的影响在不同风速下差别很大， 一组整定好的p i d 参数在固定风速附近下控制效果比较理想，但当风速增加或 减小时，控制效果变的很差。 2 ) p i d 控制器属于反馈控制器，只有当偏差出现时，控制才会起作用。其特 性存在一定的惯性和延迟，因此不可避免地造成较大的超调和较长的调节时间， 使机组输出功率波动过大，给电网造成较大的冲击。 本文针对上述缺点，提出灰色预测和模糊控制结合的新型控制方法。 3 2 2 模糊控制 模糊控制系统是一种自动控制系统，以模糊数学、模糊语言形式的知识表 示和模糊逻辑的规则推理为理论