風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化控制

內容概要

本書涵蓋了風力發(fā)電系統(tǒng)所涉及的幾個關鍵技術領域：風力資源、風電場微觀選址、風力機類型、風能轉換系統(tǒng)、風電場數(shù)學建模、風電機組控制系統(tǒng)、風電機組優(yōu)化控制器、風能轉換系統(tǒng)優(yōu)化設計準則、變流器控制、變槳距控制系統(tǒng)以及風電系統(tǒng)實驗設計等諸多方面。書中詳細給出了風電系統(tǒng)控制部分的技術細節(jié)和具體實現(xiàn)方法，并通過仿真、實驗雙重手段，對不同控制策略下所得到的詳實波形進行了對比分析，有一定的工程理論價值和工程借鑒、示范作用。本書適用于從事風力發(fā)電行業(yè)、電力電子與電力系統(tǒng)行業(yè)、風電控制系統(tǒng)、風電場運行與維護的工程師參考，亦可作為風電控制系統(tǒng)工具手冊使用，尤其適合高等院校的本科生和研究生閱讀。

書籍目錄

譯者的話 譯者簡介 原系列叢書編輯前言 前言 本書所用的物理量匯總 本書所用的首字母縮略詞匯總 第1章  風能1   1.1  簡介1   1.2  風能轉換系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1     1.2.1  風能轉換系統(tǒng)技術上的問題1     1.2.2  風力機3     1.2.3  小功率風能轉換系統(tǒng)4     1.2.4  風能轉換系統(tǒng)的控制4   1.3  本書概要5 第2章  風能轉換系統(tǒng)7   2.1  風能7   2.2  風能轉換系統(tǒng)技術10   2.3  風力機的空氣動力特性11     2.3.1  致動盤的概念11     2.3.2  風力機的性能13   2.4  傳動鏈14   2.5  發(fā)電系統(tǒng)15     2.5.1  恒速WECS15     2.5.2  變速WECS17   2.6  混合發(fā)電系統(tǒng)中的風力發(fā)電機19   2.7  控制目標21 第3章  WECS的模型23   3.1  簡介和問題陳述23   3.2  風力機的空氣動力模型24     3.2.1  固定點風速模型24     3.2.2  風力機的特性29     3.2.3  基于風輪風速的轉矩計算34   3.3  發(fā)電機模型37     3.3.1  感應發(fā)電機38     3.3.2  同步發(fā)電機42   3.4  傳動裝置模型44     3.4.1  剛性傳動鏈44     3.4.2  柔性傳動鏈46   3.5  電力電子變流器和電網(wǎng)模型46   3.6  線性化和特征值分析49     3.6.1  基于感應發(fā)電機的WECS49     3.6.2  基于同步發(fā)電機的WECS53   3.7  案例研究（1）：基于SCIG的WECS的降階線性模型56 第4章  風力機控制系統(tǒng)58   4.1  控制目標58   4.2  主控制目標的物理基礎58     4.2.1  主動變槳控制59     4.2.2  主動失速控制60     4.2.3  被動變槳控制60     4.2.4  被動失速控制61   4.3  WECS優(yōu)化控制原則61     4.3.1  變速定槳距WECS實例61     4.3.2  定速變槳距WECS實例64   4.4  WECS的主工作策略65     4.4.1  變速定槳距WECS的控制65     4.4.2  變槳距WECS的控制70   4.5  混合標準的優(yōu)化控制：能量效率?疲勞載荷74   4.6  整體運行的增益調度控制76   4.7  WECS中的發(fā)電機控制78     4.7.1  感應發(fā)電機的矢量控制78     4.7.2  永磁同步發(fā)電機的控制82   4.8  并網(wǎng)運行和電能質量評估控制系統(tǒng)83     4.8.1  電力系統(tǒng)穩(wěn)定性83     4.8.2  電能質量87 第5章  基于能量效率準則的WECS優(yōu)化控制設計方法90   5.1  問題陳述和現(xiàn)狀90     5.1.1  非線性模型下的優(yōu)化控制方法90     5.1.2  采用線性化模型的最優(yōu)控制策略93     5.1.3  小結95   5.2  最大功率點跟蹤（MPPT）策略96     5.2.1  問題陳述及文獻回顧96     5.2.2  風速湍流在MPPT中的應用99     5.2.3  案例研究（2）：經(jīng)典MPPT與風速湍流作為搜索信號的MPPT103     5.2.4  小結106   5.3  PI控制107     5.3.1  問題陳述107     5.3.2  控制器設計108     5.3.3  案例研究（3）：2MW WECS優(yōu)化控制中PI速度控制的應用110     5.3.4  案例研究（4）：6kV WECS優(yōu)化控制中PI功率控制的應用112   5.4  開關控制113     5.4.1  控制器設計113     5.4.2  案例研究（5）117   5.5  滑?？刂?18     5.5.1  建模119     5.5.2  基于減輕機械負荷的能量優(yōu)化119     5.5.3  案例研究（6）121     5.5.4  實時仿真結果122     5.5.5  小結124   5.6  反饋線性化控制125     5.6.1  WECS建模125     5.6.2  控制器設計127     5.6.3  案例研究（7）130   5.7  QFT魯棒控制131     5.7.1  WECS建模132     5.7.2  基于QFT的控制設計132     5.7.3  案例研究（8）133   5.8  小結138 第6章  WECS多目標優(yōu)化控制141   6.1  簡介141   6.2  WECS的LQ控制141     6.2.1  問題陳述141     6.2.2  輸入?輸出方法142     6.2.3  案例研究（9）：RST控制器在柔性耦合發(fā)電機WECS LQ控制中的應用144   6.3  WECS最優(yōu)控制的頻率分離原理146     6.3.1  WECS動態(tài)性能的頻率分離原則146     6.3.2  優(yōu)化控制結構和設計程序（2LFSP）147     6.3.3  濾波和風速估計的推算150   6.4  2LFSP在剛性耦合發(fā)電機WECS中的應用152     6.4.1  建模152     6.4.2  低頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化154     6.4.3  高頻環(huán)LQG動態(tài)優(yōu)化154     6.4.4  高頻環(huán)LQ動態(tài)優(yōu)化156     6.4.5  案例研究（10）158     6.4.6  整體實時仿真結果161   6.5  2LFPS在柔性耦合發(fā)電機WECS中的應用165     6.5.1  建模165     6.5.2  低頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化166     6.5.3  高頻環(huán)動態(tài)優(yōu)化167     6.5.4  案例研究（11）168   6.6  2LFSP有效性的小結170   6.7  多目標整體控制方案171     6.7.1  大功率風力發(fā)電機的控制目標171     6.7.2  多目標控制的整體最優(yōu)化和頻率分離原則172     6.7.3  WECS頻率范圍模型174     6.7.4  風速湍流部分的頻譜特性175     6.7.5  WECS控制系統(tǒng)的開環(huán)帶寬限制177     6.7.6  WECS的頻率分離控制179 第7章  WECS控制結構的實驗研究設備系統(tǒng)183   7.1  簡介183   7.2  WECS的機電仿真器184     7.2.1  硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)的原理184     7.2.2  設計HIL系統(tǒng)的具體過程186     7.2.3  WECS物理仿真器的構建187     7.2.4  WECS HIL仿真器的誤差估計188   7.3  案例研究（12）：基于DFIG的WECS的HIL仿真器的構建192     7.3.1  對WECS仿真器的要求193     7.3.2  實時物理仿真器（RTPS）的構建193     7.3.3  研究物理系統(tǒng)（IPS）的構建和發(fā)電機控制196     7.3.4  WECS整體運行模擬198   7.4  小結200 第8章  結論201 附錄203   附錄A  案例研究中各WECS的特性203   附錄B  理論背景和發(fā)展205     B.1  滑?？刂?05     B.2  反饋線性化控制206     B.3  QFT魯棒控制210   附錄C  圖片、圖表和實時影像215 參考文獻221

章節(jié)摘錄

　　變速WECS　　變速風電機組是目前最常用的WECS之一。與恒速風電機組相比，它具有很多優(yōu)勢。首先最重要的是，發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)頻率之間解耦，這就使得控制和優(yōu)化運行更加靈活。當然，需要用到電力電子變流器，它們是發(fā)電機和電網(wǎng)之間的連接裝置。實際上，正是由于電力電子變流器，使得變速操作成為可能。在實現(xiàn)更高的風能普及水平方面，由變速操作提供的高可控性是一個功能強大的優(yōu)勢（Sorensen等，2005Htansen and Hansen，2007）。　　變速操作允許風電機組在最大空氣動力效率下不斷調整其轉速（加速或減速）。設計恒速風力發(fā)電機時，是在一種風速下實現(xiàn)最大的空氣動力效率，而變速風力發(fā)電機可以在一個很寬的風速變化范圍內實現(xiàn)最大空氣動力效率。此外，變速運行可以為了實現(xiàn)不同的目標而采用先進的控制策略，例如減少機械應力、減少噪聲、增加風能捕獲等（Ackermann，2005；Burton等，2007）。　　功率控制能力指的是風力發(fā)電機的空氣動力性能，特別是在功率限制運行范圍內。所有的風力發(fā)電機都具有某種功率控制功能?！　∈倏刂芖ECS　　功率控制最簡單的形式是在高風速下不改變葉片的幾何形狀而通過利用失速效應來降低空氣動力效率。隨著風速的增加，風輪空氣動力“自然”地驅動風輪處在失速工況。這種方法的關鍵在于葉片輪廓的特殊設計。此設計在額定功率附近提供了失速效應，而且沒有不期望的空氣動力特性。這一功率控制方法的缺點是：由風力引起了較高的機械應力，隨著空氣密度和電網(wǎng)頻率的變化，協(xié)助起動和最大穩(wěn)態(tài)功耗的值并沒有變化（Hansen and Hansen，2007）。　　變槳距控制WECS和主動失速控制WECS　　另一種控制功率的方法是改變槳距角從而改變葉片的幾何形狀。這種方法如今被廣泛應用，通過改變槳距角從而改變風速在葉片上的行程，也就是使葉片對風或側風。根據(jù)葉片改變的方向（對風或側風），又分為槳距控制和主動失速控制。這兩種方法的具體分析和它們之間的差別將在后續(xù)章節(jié)給出。 　　……

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