（电机与电器专业论文）变速恒频风力发电系统传动链转矩波动控制.pdf

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 ta r ep r e s s i n gp r o b l e m st h a tm u s tb es e r r i e db yh u m a n b e i n g sf o rf u t u r es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ew i n d p o w e rg e n e r a t i o nd u e s i n c et h ew i n de n e r g yi sa “g r e e n a n dc h e a pr e n e w a b l ee n e r g y s o u r c e f o rt h es a k eo fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fw i n de n e r g ya n di n c r e a s i n gt h e r e l i a b i l i t yo ft h em e c h a n i c a lp a r t ，a l lk i n d so fr e s e a r c h f o rw t g sh a sw i d e l y d e v e l o p e di nm a n y c o u n t r i e s t h ew i n dt u r b i n ei sah i g h l yn o n l i n e a rs y s t e ma n di t so p e r a t i n ge n v i r o n m e n ti s e x t r e m e l yh o s t i l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l e w i n dt u r b i n e sa n dt h e i n t r o d u c t i o no ff l e x i b l es t r u c t u r e s ，v i b r a t i o np r o b l e m sa p p e a rm o r ea n dm o r es e r i o u s r a n d o mw i n df l u c t u a t i o n ，w i n ds h e a ra n dt o w e rs h a d o we f f e c tc a na l lc a u s el a r g e r i p p l e so nd r i v e t r a i nt o r q u e i nt h i sp a p e r , t w oc o n t r o l l e r sa r ep r o p o s e df o rs p e e d v i b r a t i o ns u p p r e s s i o na n dt o r q u er i p p l es u p p r e s s i o n o n ei st h eo b s e r v e r - b a s e ds t a t e f e e d b a c kg e n e r a t o rt o r q u ec o n t r o l l e r , w i t c hc a na d dd a m p i n gt ot h ef i r s td r i v e t r a i n t o r s i o nm o d e t h eo t h e ri st h er o t o rc o l l e c t i v ep i t c hc o n t r o l l e rb a s e do na c t i v e d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l ( a d r c ) ，w i t c hi sd e s i g n e dt or e g u l a t eg e n e r a t o rs p e e d b o t ho ft h ec o n t r o l l e r sa r eb u i l to nt h eb a s i so ft h em o d e l l i n e a r i z a t i o nm e t h o d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c ed r i v e - t r a i n t o r q u er i p p l e s w i t c hd e m o n s t r a t e st h ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d r o b u s t n e s s o ft h es y s t e m h e n c ep r o v i n gt h a tt h en e wm e t h o dw i l lh a v ea ni m p o r t a n tv a l u ei n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n e ，d r i v e t r a i n ，s t a t ef e e d b a c k ，a c t i v ed i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：z o o c f 年月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乍滋宝 导师签名： 签字日期：加pc ? 年6 月占日 签字日期：叫年 多月，日 第一章绪论 第一章绪论 2 1 世纪以来，能源与环境成为制约社会进步和经济发展的主要因素。煤炭、 石油及天然气等矿物能源的大规模开发和使用大幅提高了人类的生活水平，同时 也给人类的生存环境带来了诸多不利影响。因此，世界各国纷纷制定自己的新能 源政策，努力发展风能、太阳能、地热能、潮汐能、原子能等绿色能源，以满足 经济快速发展的需要。 在众多的清洁可再生能源形式中，风能资源丰富、蕴量巨大。全球的风能总 储量约为2 7 4 x 1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 1 07 m w ，比地球上可开发利用 的水能总量大1 0 倍i l 】。风力发电是风能的主要利用方式，它以安全可靠、无污 染、不需消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活及可并网运行等特点成为颇具发 展潜力的绿色能源产业【2 。3 】。全球风能理事会公布：2 0 0 8 年，全球新增装机容量 达到2 7 1 0 4 m w 。去年一年，全球风电装机容量增长2 8 8 ，高于过去1 0 年的 平均增长，且增长最快的市场在欧洲、北美和亚洲。到2 0 0 8 年年底，全球风力 发电总装机容量已超过了1 2 0 8 x 1 0 4 m w ，相当于减排1 5 8 亿吨二氧化碳。根据 欧洲风能协会报道，风电首次成为欧洲新增电力装机容量的领军能源。在风电市 场方面，欧洲新增装机容量约为8 9 x 1 0 3 m w ，总装机容量达到6 6 x 1 0 n m w ，法 国、英国和意大利目前成为继德国、西班牙及和丹麦后的新锐，使得风电在整个 欧洲的发展更加均衡。美国风电新装机容量达到8 3 5 0 m w ，这一增长使其总装机 容量达到2 5 2 x 1 0 4 m w ，超过德国，跃居为全球风电装机容量最大的国家。相比 来说，亚洲的风电市场现状稍许落后，但发展尤为迅速，全球近l 3 的新增装机 容量发生在亚洲。 我国人口基数大，资源相对缺乏，在建设社会主义社会的进程中，国民经济 持续快速发展，使得能源需求不断增长，将面临严峻的能源供应问题。面对此能 源困局，为了保障能源供应必须调整能源产业结构，大规模开发可再生能源。据 中国气象科学研究院统计，我国风能储量居世界首位，约为4 8 1 0 8 m w ，其中 大陆地区可开发利用风能约为2 5 3 x1 0 5 m w ，在风能开发中有着得天独厚的天然 优势【4 】。自1 9 8 6 年建设山东荣成第一个示范性风电场至今，我国逐渐加强对风 力发电的发展规划，采取了设立专项资金、减半征收税额、实行特许权等一系列 鼓励风电发展的政策措施，风电场装机规模不断扩大。中国风能协会的统计数据 显示，2 0 0 8 年全国风电新增装机容量达6 3 x 1 0 3 m w ，截止2 0 0 8 年底，累计安装 风电机组1 1 6 0 0 多台，总装机容量约1 2 1 5 3 x 1 0 m w ，装机增长率为1 0 6 。风 第一章绪论 电场分布在2 4 个省( 市、自治区) ，比2 0 0 7 年增加了重庆、江西和云南三个省 市。累计装机容量排名前五位的省依次是内蒙古、辽宁、河北、吉林和黑龙江。 预计，到2 0 1 0 年，我国风电总装机容量将达到3 x 1 0 4 m w 。大力发展风力发电， 调整能源结构对我国有着极其重要的战略意义。 1 1 课题研究背景 目前世界风力发电技术发展趋势主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 机组单机容量由小容量向大容量发展，兆瓦级以上的大型风力发电机 组比小型机组有更好的经济效益； ( 2 ) 恒速恒频向变速恒频发展，变速运行方式提高了系统的运行效率，可 以吸收阵风能量，减小系统承受的机械应力，延长系统寿命，是大型风力发电系 统比较理想的运行方式； ( 3 ) 定桨距向变桨距发展，变桨距调节使得机组起动风速较低，输出功率 品质较好，停机方便，是大型风力发电系统的最佳选择； ( 4 ) 陆上风电向海上风电发展，海上空气密度高，风速平稳，风能资源丰 富且风速容易预测，适合建设大规模的海上风电场； ( 5 ) 结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展。 作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力发电机单机容量不断向大 型化发展，兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流产品1 5 j 。1 9 9 7 年以前， 全球兆瓦级机组市场份额还不到10 ，2 0 0 2 年则达到6 2 1 ，2 0 0 3 年全球安装 的风电机组平均单机容量达到1 2 m w 。美国已经成功研制出7 m w 风力机，而 英国正在研制1 0 m w 的巨型风力机。与定速恒频风力机组相比，变速恒频风力 机组在风速低于额定风速时，通过调节发电机转子转速，稳定发电机输出电能的 频率，尽可能多地捕获风能；在风速高于额定风速时，通过变桨距保持额定发电 功率，仍可捕获“最大”能量。变桨距技术，叶片、齿轮箱及发电机等关键部件 设计技术和风电系统的控制与监控技术是影响风力发电系统可靠性的主要技术 因素。变桨距机组可以减小风机桨叶的机械应力，提高风机寿命1 6 】，正在逐渐地 淘汰定桨距风电机组。基于空气动力学及商用软件的优化设计使叶片叶型趋于成 熟，新材料新结构的桨叶不时出现，齿轮箱及发电机等关键部件也不断更新。随 着风电设备的发展，控制与监控技术不断完善，包括先进控制方法的应用、快速 无冲击并网技术、远程监控技术、独立桨叶控制技术、弱电网运行技术以及风电 与光伏混合控制技术等。 第一章绪论 1 2 风力发电技术研究现状 随着能源危机和环境问题的日益严重，并网运行风力发电技术受到世界各国 的高度重视，并被迅速实现商品化。近年来，由于计算机和控制技术的飞速发展， 风力发电技术发展迅速，控制方式从恒速恒频发展到变速恒频，从定桨距控制发 展到变桨距控制，机组容量也从小型发展到兆瓦级。本节将从风力发电方式、桨 叶控制技术、传动链发展情况和控制策略概况四个方面阐述风力发电技术研究现 状。 1 2 1 风力发电方式 发电机及其控制系统是风力发电系统的核心部分，它的运行状况和控制技术 决定着整个风电系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机运行特征和控制 技术的不同，风力发电系统的发电方式可分为恒速恒频发电方式和变速恒频发电 方式【7 - 8 】。 ( 1 ) 恒速恒频发电方式 在恒速恒频风力发电系统中，由于风速经常变化而风机转速保持不变，风能 利用率往往偏离最大值，系统通常运行于低效状态。为了提高效率，一般采用两 台不同容量、不同极数的发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用 大容量发电机发电，同时通过改变叶片桨距角调整系统的输出功率。但这仅能使 风力发电系统在两个风速下具有较佳的风能利用系数，不能保证在整个运行过程 中的最大风能捕获，效率不高。随着风力发电系统单机容量的增大，发电效率显 得越来越重要，追踪风速实现最大风能捕获、提高整个风力发电系统的运行效率 成为当务之急。电力电子技术、计算机控制技术及风机制造技术的发展使得大容 量风电系统实现最大风能追踪运行成为可能，能够连续调速的变速恒频风力发电 技术应运而生。 ( 2 ) 变速恒频发电方式 风能是一种具有随机性、爆发性和不稳定性的能源。风机在不同风速下对应 一个最佳运行转速，即风机运行于此转速下能够最大程度地捕获风能且承受的机 械载荷最小，所以应根据风速实时调整风机转速。传统的恒速恒频发电方式只能 运行于某一特定转速，当风速改变时风机的风能利用系数将偏离最大值，导致系 统运行效率下降、风能资源浪费、系统机械载荷增大，甚至加剧风机磨损、缩短 风机寿命。变速恒频发电方式可按照最大风能捕获的要求，在风速变化的情况下 实时调节风机转速，使之始终运行在与该风速相对应的最佳转速上，从而使得风 第一章绪论 力发电系统在较宽的风速范围内均能运行于最大风能捕获状态，提高了系统发电 效率，改善了风机运行条件。 相对于恒速恒频发电方式，变速恒频发电方式的优点主要体现在以下几个方 面【9 】： ( 1 ) 系统效率高：运行于变速恒频发电方式的风力发电系统保持最佳叶尖 速比运行，可以最大程度地捕获风能，提高了风机的运行效率； ( 2 ) 吸收阵风能量，减少机械应力和转矩脉动，延长机组寿命：当风速跃 升时，产生的巨大风能部分可被加速旋转的风机吸收并以动能的形式存于高速旋 转的风机中，从而避免传动系统承受过大的扭矩和应力；当风速下降时，在电力 电子装置的调控下可将风机释放的动量转变为电能送入电网。风机的加速、减速 过程对风速的阶跃性变化起到缓冲作用，防止破坏性机械应力的产生，从而保证 风力发电机组安全稳定运行； ( 3 ) 桨距调节简单化：变速恒频发电方式能够使风电系统放宽对桨距调节 响应速度的要求，降低变桨距控制器及其执行机构的复杂性； ( 4 ) 运行噪声小：低风速时，风轮处于低速运行状态，能够降低系统运行 噪声。 变速恒频发电技术的诸多优点受到了人们的广泛关注，越来越多地应用到大 型风力发电系统中。自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统特别 是m w 级以上的大容量风电系统多采用变速恒频发电方式。变速恒频风力发电 系统类型颇多，按照所使用发电机类别的不同主要分为同步发电机系统和异步发 电机系统，其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和直流励磁同步发电机 系统；异步发电机系统包括鼠笼式发电机系统、绕线式发电机系统、双馈发电机 系统和无刷双馈发电机系统。其中，双馈风力发电系统因具有变频器成本低、可 实现有功和无功输出的灵活控制、能够对电网进行无功补偿等优点，在实际中应 用的最为广泛。 1 2 2 风力发电机组桨叶控制技术 桨叶控制技术是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风 速以后，由于机械强度和发电机、变频器容量的限制，必须降低风力机捕获的风 能，使风力机输出功率保持在机组额定值附近，同时减少叶片承受载荷和整个风 力机受到的冲击，保证风力机不受损害。桨叶控制方式主要有定桨距失速调节、 变桨距调节、主动失速调节三种方式 1 0 - 1 1 】。 4 第一章绪论 ( 1 ) 定桨距失速调节 定桨距失速型风力发电系统的桨叶与轮毂固定连接，通过叶片失速来控制最 大功率，运行过程中风力机桨距角恒定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度 不能随之变化。因为风轮上所有材料的物理性能是有限度的，风力机运行于额定 风速以上时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性称 为失速特性。当运行中的风力发电系统突然与电网断开时，桨叶自身必须具备制 动能力，使机组能够在大风情况下安全停机。定桨距失速调节方式因没有功率反 馈控制系统和变桨距执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，具有较高的安 全系数。但失速调节方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成 型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力加大，使得叶 片的刚度减弱，桨叶失速动态特性不易控制，所以很难应用在m w 级以上的大型 风力发电系统上。另外，风速突变时，风能变化会对主轴、齿轮箱等部件等产生 很大的冲击。 ( 2 ) 变桨距调节 变桨距型风力发电系统能使风轮叶片的桨距角随风速而变化。与定桨距风力 发电系统相比，变桨距风力发电系统能够起到主动调节和优化功率的作用，可以 不完全依靠叶片的气动性能，根据风速变化调节风轮叶片的桨距角，达到有效调 节机组的效果 1 2 - 1 3 】，还可以改善风力机的起动性能和功率输出特性，具有在额定 功率点以上输出功率平衡的特点。主要调节方法为：发电机起动时，通过调节桨 距角，控制转速维持不变；并网后通过调节桨距角对功率进行控制，当输出功率 小于额定功率时，桨距角接近零度，不作任何调节，使风力机吸收最大风能；当 输出功率大于额定功率时，调节叶片桨距角，以减小功角，使输出功率保持在额 定值附近。变桨距调节方式的优点是桨叶受力较小，可做的比较轻巧，减少了材 料用量，降低了整机重量；同时还增加了系统功率输出，提高了运行性能。缺点 是需要有一套比较复杂的交桨距调节机构，要求风力机的变桨距系统对阵风的响 应速度足够快，才能减轻由于风的波动而引起的功率脉动。 ( 3 ) 主动失速调节 主动失速调节方式是定桨距失速调节和变桨距调节方式的组合，桨叶采用失 速特性，调节系统采用变桨距调节。低风速时，采用变桨距调节，优化机组功率 输出；达到额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以 下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需微调即可维持失速 状态；另外调节桨叶可实现气动刹车。其优点是既有失速特性，又可变桨距调节， 提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制容易，输出功 率平稳，执行机构的功率相对较小。 第一章绪论 目前，国内外大型风力发电机多采用变桨距调节技术，它可以抑制风速突变 产生的转矩波动，减轻传动机构承受的载荷，提高齿轮箱寿命，减少传动系统故 障率。 1 2 3 风力发电机组传动链 风力发电机大都并网运行，必将经常处于电力系统的各种扰动之下，而风速 的经常变化更是风力发电系统动态过程的根源，所以对风力发电系统动态过程的 研究显得十分重要，这其中一个重要的内容就是包含机械传动链的轴系动态的研 究。虽然风力发电机组轴系的长度不及汽轮发电机，但是在一般的风力发电系统 中，风力机和发电机之间的变速传动装置是必不可少的，这给轴系带来了很大柔 性，很容易引起机组动态过程中扭矩振荡问题，同时也对电气动态过程产生一定 的影响。发电机齿轮箱是风力发电机组传动链的核心元件。恶劣的气候条件要求 风力发电机组具有较高强度的齿轮箱。轿车齿轮箱的设计寿命为2 0 0 0 小时，而 发电机齿轮箱可靠运行时间为2 0 年。 国内外风力发电机组传动链结构可分为四中形式：基本驱动链结构、单永磁 发电机直驱结构、单级齿轮箱混合驱动形式，多电机联合驱动结构形式1 1 4 。 ( 1 ) 基本驱动链结构 此机型的基本结构为：发电机为双馈发电机，齿轮箱采用复合行星平行轴斜 齿，功率变换器位于发电机转子侧与电网之间，机组可以变速运行，功率变换器 容量约为机组容量的1 3 。 ( 2 ) 单永磁发电机直驱结构 此机型的基本结构由轮毂、发电机、后部支撑架等构成，主要部件为发电机， 根据机械结构不同，可分为外转子式和内转子式。基本构成有：主轴、定子、转 子、空心轴、定子外框、刹车器等。传递负载路径为：主轴承外套分别与轮毂和 发电机转子连接，内套位于空心轴上，定子外框与轴基座相连，中心轴通过螺栓 与后支撑架连接，传递负载到塔架顶部。4 个刹车闸钳位于发电机转子上，叶片 变距系统控制电缆通过滑环导出。 ( 3 ) 单级齿轮箱混合驱动形式 此机型的基本结构为：复合行星斜齿齿轮箱、中速永磁发电机、回转支架、 刹车系统等。传递负载路径为：轮毂与主轴承内连接，主轴承后部与齿轮箱外连 接，发电机通过高速轴与增速箱连接，风轮的力矩负载直接从主轴承传递到回转 支架上、把对齿轮的冲击降低到最小，刹车器位于发电机后面，由刹车盘、刹车 钳和液压系统构成，变距系统电缆通过滑环引出。 第一章绪论 ( 4 ) 多电机联合驱动结构形式 此机型按照采用电机的类型不同，可以分为多永磁发电机联合驱动机构和多 感应发电机联合驱动机构。总体来说基本结构为：主轴承、大齿轮、小齿轮、固 定盘、发电机、刹车系统、支架等。 目前，基本驱动链结构技术比较成熟，其他结构都有设计风险。国际市场上 商业化的有两种机型：基本驱动链结构和单永磁发电机直驱结构。随着全球风电 技术和市场的发展，单机容量不断增大，1 5 - 3 m w 机组已成为市场主力机型。 双馈型机组由于发电机及变流器的低成本成为目前主流机型，而无齿轮箱的直驱 型机组有效地减少了由于齿轮箱问题而造成的机组故障，提高了系统运行可靠 性，也取得了广泛应用。 1 2 4 控制策略研究概述 风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化， 风力机叶片攻角不断变化，使得叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及 输入到传动链的功率发生变化，引起转矩传动链的振荡，对风电系统的发电效率 及电能质量产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组传动机构 通常采用柔性部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使系统动态特性 复杂化，转矩传动模块产生很大振荡。目前，风力发电系统控制策略研究根据控 制器类型的不同可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。 传统控制方法：当风速变化时，通过调节发电机电磁转矩或叶片桨距角，使 叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。该方法基于线性模型，采用线 性控制方法，对于快速变化的风速，调节相对滞后。同时，基于某工作点的线性 化模型的控制方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严 重的风电系统并不适用，它只能保证在线性化工作点附近的控制效果。 现代控制方法主要包括滑模变结构控制、h o o 鲁棒控制、自适应控制和模糊 控制等。 ( 1 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制策略，它要求频繁、快速 地切换系统的控制状态。滑模变结构控制因具有响应快速、对系统参数变化不敏 感、设计简单和易于实现等优点而在风电系统中得到广泛应用。但滑模变结构控 制存在控制器输出抖振的缺陷，会对风力发电系统机械设备造成冲击，影响设备 的使用寿命。对于实际风力发电系统，其运行状况受外界影响很大，如阵风、随机 风的影响，结合其它控制技术的混合滑模变结构控制是今后风力发电系统控制问 第一章绪论 题的主要研究应用方向之一【1 5 。 ( 2 ) h o o 鲁棒控制 h o o 鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确 和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。h o o 鲁 棒控制在研究具有强鲁棒性的稳定控制中占有重要地位，已成为控制论中一个重 要分支。文献【1 6 】针对一个具有不确定模型的变速恒频风力发电系统提出了一种 鲁棒控制设计方法，将包含非线性空气特性、变桨距控制机构和柔性传动链，通 过动态的风力发电系统线性化处理估计出非线性项的上界，将其作为不确定项处 理，采用线性h o o 控制，实现了风力发电系统在存在建模不确定性条件下的最大风 能捕获。文献【1 7 】将h o o 鲁棒控制方法用于设计失速调节变速风能转换系统的控 制中，通过静止功率变换器与无穷大电网相联，保证系统稳定性的基础上获得风 能最大转换效率，同时降低转矩脉动和机械负载。 ( 3 ) 自适应控制 在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的 参数，因此控制器增益是可调节的。在遇到干扰和电网不稳定时，自适应控制器 比p l 控制器多许多优点，但实时参数难以估计是一个主要缺点，因为它要耗费 大量的计算时间1 1 引。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛用于自然科学和社会科学的许多 领域，其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于 被控对象的数学模型，能够克服非线性因素的影响，对控制对象有较强的鲁棒性。 由于风力发电系统的精确数学模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电系统 的控制，越来越受到重视 1 9 - 2 0 。 1 3 本文的研究意义和主要研究内容 风力发电机组运行在随机变化的自然环境中，受力情况非常复杂。而且随着 风力发电机组的大型化，机组塔架更高、叶片更长，在重力的影响下，细长结构 的结构弹性变形将更加显著，因此风力发电机组主要部件的静力学问题和动力学 问题将更加突出。近些年来，风力发电机组陆续出现了一些故障，包括风轮叶片、 齿轮箱【2 、发电机以及控制系统等故障，从而导致机组停止运行，严重影响发 电量，造成经济损失。因此随着风电产业的飞速发展，如何保证风力发电机组稳 定运行，如何高效地利用风力资源已经成为一个很重要的课题 2 2 - 2 3 j 。 第一章绪论 风力发电机组属于复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。 风力发电控制系统的基本目标分为四个层次：保证可靠运行，获取最大能量，提 供良好的电力质量，延长机组寿命。因此要求控制系统具有以下功能：低风速时， 跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获；高风速时，限制风能捕获，保持风力发 电机组的额定输出功率；所有运行风速范围内，确保系统稳定运行；减少阵风、 随机风引起的转矩突变，减小风轮、传动机构的机械应力和输出功率波动；抑制 可能引起机械共振的频率；调节机组的输出功率，控制电网电压和频率稳定。振 动问题是风力发电机组的老问题，随着机组容量的增加，大型风力发电机组由于 结构体积的增大和弹性增加，更加容易引发振动问题。我国目前自主研发的风力 发电控制系统在整体运行中，能够满足机组的常规逻辑、安全保护等功能要求， 但机组柔性协调控制方面欠缺，使得机组稳定性降低、故障率比较高，影响了机 组的利用率和系统的稳定性。鉴于此，针对国产大型风力发电机组，在桨距角控 制、功率控制等方面采用整机柔性协同控制策略，减小机械负载、降低机组震荡、 稳定输出功率成为目前风力发电发展的当务之急。 本文主要围绕风力发电系统传动链转矩控制方面作了相关研究。除了第一章 介绍课题背景、研究综述外，论文其余各章主要内容安排如下： 第二章对变速恒频风力发电系统各组成部分的基本原理及相关特性进行介 绍；分析变速恒频风力发电机组的基本特性，划分变速恒频风力发电系统运行区 域，简要介绍每个运行区域的控制策略；并在此基础上描述变速恒频风力发电系 统的非线性结构，建立了包括风力机、传动系统、发电机和桨距角执行机构的风 力发电系统数学模型；最后通过模态线性化得到机组的单状态变量、三状态变量 和九状态变量线性模型。 第三章对变速恒频风力发电机组桨距角控制进行研究，提出一种应用带有 扰动调节器的状态反馈控制策略。首先，介绍了状态反馈控制机理和状态观测器 的实现方法：然后，基于风力发电机组的三状态变量模型设计了带有扰动调节器 的状态反馈控制器；最后对变速恒频风力发电系统的变桨距控制过程进行仿真研 究，通过不同极点的选择，比较了传动链高阻尼、低阻尼状态下风力机转速和传 动链转矩响应。 第四章提出了变速恒频风力发电系统的协调控制策略。本文在变桨距控制 的同时引入了电磁转矩控制，使变桨距控制和电磁转矩控制共同作用，从而抑制 传动链转矩波动。变桨距控制采用自抗扰控制，电磁转矩控制采用带有状态观测 器的状态空间反馈控制策略。最后对协调控制进行仿真研究。 第五章对全文内容进行总结，并对后续工作进行展望。 9 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 为了对风力发电系统进行研究，首先必须建立系统相应的数学模型，以描述 整台风力发电机组的动态行为。此模型不但能描述整个机组所有的基本动力学特 性，而且还必须适合于控制目的。风力发电机组模型的基本结构主要包括风力机 的空气动力学模型、传动链的结构动力学特性、发电机动态特性和执行机构动态 特性等。 风力发电机组的建模是对风力发电机组进行控制和优化的基础【2 4 1 。目前， 为了推动风力发电技术的研究和发展，许多大学和风能研究机构推出了风力发电 机组建模和仿真软件包。g a r r a dh a s s a na n dp a r t n e r s 公司开发的b l a d e d 商业软件包 是一个用于风力发电机组性能和载荷计算的集成化的软件包。该软件可以作为设 计和验证工具，其采用的模型和理论方法已通过多家企业机组的设计数据和实测 数据的比对得到验证。u t a h 大学开发 y a w d y n 软件，它是一个设计水平轴风力 机的集成软件包，它必须与空气动力学软件包a e r o d y n 共同使用。美国再生能源 实验室和o r e g o n 大学开发的f a s t 软件把风力发电机模拟成柔性和刚性结构的组 合，它可用于两叶片或三叶片的水平轴风力机。a d a m s 商业软件包能够模拟风 力机所有柔性部件的自由度。d e l f t 大学开发了风力发电机组专用仿真软件 d u w e c s 。 本章首先介绍了变速恒频风力发电机组的结构，分析了风力机的基本特性和 运行区域；然后建立风力发电机组各个部件的模型，包括风力机、传动链、发电 机、执行机构的模型，得到整个机组的非线性模型；最后对机组进行模态线性化， 得到机组的线性化模型。 2 1 变速恒频风力发电机组结构与组成 风力发电机组是风力发电的主要装置，它的研究和开发是风力发电技术的核 心。风力发电机组是将风能转化为电能的装置，它主要由风力机和发电机两部分 构成。其中，风力机将风能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。风力发 电机的样式虽然很多，但其原理和结构总的说来还是大同小异的。本文以水平轴 风力发电机组为例做介绍，它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构、发电机、 调速器或限速器、调向器、塔架等【2 5 l 。 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 ( 1 ) 风力机 风力机由轮毂和安装在轮毂上的叶片所组成，其功能是将风能转换为机械 能。轮毂是风力机枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力， 都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片 桨距角的所在。 ( 2 ) 传动机构 风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。 但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿 轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风力机设计成无齿轮箱的，风轮直接连接到 发电机。风力机所采用的齿轮箱一般都是增速的。 ( 3 ) 发电机 发电机负责把机械能转化为电能。目前常用的发电机有：直流发电机、同步 发电机和异步发电机。大中型风力发电机多采用同步或异步发电机。 ( 4 ) 调速或限速装置 调速或限速装置在很多情下要求风力发电机不论风速如何变化转速总保持 恒定或不超过某一限定值。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作 用在叶片上的力。调速或限速装置从原理上来看大致有三类：一类是使风力机偏 离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。 ( 5 ) 调向装置 调向装置也称对风装置，是风力发电机组电控系统的重要组成部分。风力机 必须尽可能高效的地吸取能量，以便利用能量密度低的风能，为此设有偏航驱动 机构，保持机舱的方向，使桨叶的回转轴经常与风向保持一致。 对于不同类型的风力发电机组，应用不同的调向装置是非常必要的。 尾舵对风 微小型风力机常用尾舵对风，将尾翼装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角 度。尾舵调向结构简单、调向可靠、制造容易、成本低。 侧风轮对风 中小型风力机可用侧风轮作为对风装置，当风向变化时，位于风轮后面的两 个侧风轮( 其旋转平面与风力机旋转平面相垂直) 旋转，并通过一套齿轮传动系统 使风轮偏转，当风力机重新对准风向后，侧风轮停止转动。 伺服电机或调向电机调向 大中型风力机一般采用电动的伺服或调向电机来调整风轮并使其对准风向。 这种风力机的偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减 速器，回转体大齿轮等。 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 ( 5 ) 塔架 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风 压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系，如果说 塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大、中型风力机的影响就不容忽视了。 2 2 风力机的基本特性和运行区域划分 2 2 1 风力机的基本特性 风力发电机由风力机和发电机两部分构成。其中，风力机将风能转化为机械 能，发电机将机械能转化为电能。风力机作为转化风能的关键部件，直接影响着 风能的利用效率。 风力机主要由叶片、轮毂、齿轮箱及传动装置组成。根据风轮位置的不同， 风力机可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两类| 2 6 | ，如图2 1 所示。水平轴风力 机的风轮绕水平轴旋转，其特点是风能利用率较高，并且可灵活的控制其吸收风 能的大小；垂直轴风力机的旋转方向垂直于气流方向或地面，可从任意方向获得 风力，但其起动、调速以及制动过程的控制复杂，稳定性较差，在商业化机组中 很少采用。本文主要讨论水平轴风力机。 ( a ) 水平轴风力机 图2 1 风力发电机类型 ( b ) 垂直轴风力机 早期的风力机多采用定桨距型风力机。定桨距指桨叶和轮毂的连接固定，桨 距角不能改变。该类风力机只能在某一特定风速下获取最大风能，风能利用率低。 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 随着风力发电技术的发展和电力电子技术的进步，定桨距技术逐渐被变桨距技术 所取代。变桨距指风力机桨距角能够根据控制需求进行实时调节：当风速在额定 风速以下时，桨距角接近0 0 ，叶片能够最大程度地捕获风能；在高于额定风速 时，通过增大桨距角降低风力机吸收地气动功率，保持风电机组输出功率恒定， 防止发电机过载【27 | 。 贝兹建立的风力机气动理论是基于以假设情况：风轮是理想的，即没有轮毂， 又具有无限多的叶片：气流通过风轮时没有阻力，并且经过风轮扫及面时是均匀 的；气流通过风轮前后的速度都为轴向方向。 空气气流模型如图2 2 ，气流以速度，1 通过面积s l 区域，当气流通过风轮扫 及面s 时气流速度变为，在经过风轮后，气流的截面积变为& ，速度变为v 2 。 图2 2 气流模型 通过风力机旋转面的空气所蕴含的动能为【2 8 l 昂= 丢砂3 = 吉破2 3 c 2 一， 风力机从风中捕获的机械能量是空气动能的一部分。风力机的机械输出功率 己= p ：c p = l ，r c p r 2 3 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中风能利用系数c p 表示风力机的空气动力特性，可写为 c ：墨 p 名 式中，厶为风力机的输出机械功率；尸为输入气动功率。 ( 2 - 3 ) 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 根据贝茨理论，o 的最大值为o5 9 3 。一般水平轴风力机c p 在0 2 一o5 之间， 考虑到在风场中风力机会受到风速和风向波动的影响，高速风轮的g 大致在0 4 左右【2 9 】。 风力机的运行状态参数除了风能利用系数g 还包括叶尖速比z 。叶尖速比i 是风轮叶片的叶尖速度和m 速的比值，可写为 a ：堂( 2 q ) 式中r 为风轮半径：v 为风速：m 为风轮旋转角速度。 风能利用系数c p 是叶尖速比2 和桨距角口的函数，风力机的功率特性曲线 如图2 - 3 所示。 0 5 04 03 8 0 2 ，i 蕈 b 2 扩 1 3 = o 。 仁r b = 4 。 一上b = 6 。 o ii丽1 5 2 0 图2 - 3 风能利用系数c p ( z 西衄线图 由图可以看出，当桨距角声逐渐增大时，g 曲线将显著的变小。当保持桨 距角不变时，风能利用系数g 只与叶尖速比2 有关。 定桨距风力机风能利用系数g 与叶尖速眦的函数曲线如图2 - 4 所示。在定桨 距情况下，对于一个特定的风力机，只有一个点使得叶尖速比达到最大值，该点 称为蛀佳叶尖速比，用岛赢示，对应的0 为最大风能利用系数，用 抽表示。 从图中可以看出，当叶尖速e 队大于或小于最佳叶尖速比k 肘，风能利用系数。 都会偏离最大风能利用系数，使得机组效率下降。 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 0 五 图2 40 与a 函数曲线 2 2 2 变速恒频风力发电机运行区域划分 变速恒频风力发电机的运行区域主要包括启动区、最大风能追踪区、转速恒 定区及功率恒定区1 3 0 - 3 1 】，如图2 5 所示。 0 图2 5 变速恒频双馈风力发电机运行区域 ( 1 ) 启动区 在切入风速以下时，发电机空载运行；当风速高于切入风速时，发电机进行 并网发电运行。在这个区域内，双馈风力发电机控制系统的主要任务是实现发电 机的并网控制。 ( 2 ) 最大风能追踪区 发电机运行在最高转速以下，风力机处于定桨距运行状态。由定桨距风力机 的输出特性可知，在风速一定的情况下，风力机的输出功率只与发电机的转速有 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 关，控制发电机的转速，使g = g ，实现最大风能追踪控制。 ( 3 ) 转速恒定区 随着风速的增大，发电机转速达到最高转速，而其功率还没有达到额定功率。 此时，风力机不再进行最大风能追踪控制，而是通过调节输出电功率将发电机转 速限制在最大允许转速运行。此运行区域g 值逐渐减小，但发电机的输出功率 仍逐渐增大。 ( 4 ) 功率恒定区 。发电机达到最大转速后，随着风速增大，发电机输出功率达到其功率极限， 因此必须控制发电机运行在极限功率以下。这个区域也是通过调节风力机的桨距 角实现恒功率控制的。 从上面的讨论可以看出，随着风速的变化，风力发电机组工作在不同的运行 区域。在最大风能追踪区，要通过风力机和发电机的配合，使发电机在不同的风 速时运行在不同的转速下，保持铲g 一不变，最大限度地捕获风能。转速恒定 区采用功率调节，功率恒定区采用变桨距调节。 2 3 变速恒频风力发电机组建模 2 3 1 风力发电机组的非线性模型 风力发电机组的动态特性是由构成机组各部件的动态特性相互耦合构成的， 如图2 - 6 ，它包括风能特性、风力机空气动力学、传动链动力学、发电机以及执 行器的动态特性。 给定桨距角给定转矩 图2 - 6 风力发电机组非线性模型基本结构 1 6 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 2 3 2 风速模型 风力发电机以风作为原动力，风速直接决定了风电机组的动态特性【3 2 1 。要 掌握风电机组的动态特性，就必须获得风电场短期的风速波动数据，如秒级的风 速。最早的风速模型用于资源规划中，以评价风电的经济性、持久性以及含风电 场的电力系统的可靠性。但这些模型是以平均风速为基础的，不适用于风电机组 动态仿真。而且一般气象台所能提供的风速数据大都是小时平均风速，因此短时 距风速只能根据某种算法模拟或实际测量获得。 文献 3 3 3 5 介绍了计算短期风速的基本方法，根据小时平均风速数值求得 风速的功率谱密度函数，积分后可以得到短时风速数据。这种方法考虑了风速随 机风量分布谱密度、风速频率、地表粗糙度和扰动范围，能够比较全面地模拟风 速变化，但考虑的因素比较多，很多参数不易获得，实现起来比较困难。为此， 本文在进行变速恒频风力发电机组的动态仿真时，将风速模型简化为4 种典型的 风速变化情况，即基本风、阵风、渐变风和随机风【3 6 1 。 ( 1 ) 风电机组正常运行时，通常是处于某一功率水平，原则上可以认为有 一基本风速与之对应，设为v w b 。 ( 2 ) 阵风风速 描述风速突然变化的特性，阵风可以表示为 f 0f - 半卜啦专别秘嘲以 5 ， 【0t 互g + 毛 式中，v w 6 为阵风风速，单位m s ；t c 为周期，单位s ；兀g 为阵风启动时间， 单位s ；m a x g 为阵风最大值。 ( 3 ) 渐变风 为了反映风速的渐变特性，可在基本风上叠加一渐变风分量 = o 半卧赣， m a xr 0 t 五月 五月互r ( 2 6 ) 互尺f 五月+ 瓦 t 互尺+ 瓦 第二章变速恒频风力发电系统结构和非线性模型 式中，v w r 为渐变风风速，单位为州s ；m a 姐渐变风风速最大值，单位为 m s ；t i r 为渐变风的起始时间，单位为s ；t 2 尺为渐变风的终止时间，单位为s ； 珏为渐变风的保持时间，单位为s 。 ( 4 ) 随机风 为了反映风速的随机扰动，可在平均风上叠加一随机分量 = r a m ( - 1 ，1 ) c o s ( w v t + 办) ( 2 7 ) 式中，为随机分量的最大值