兆瓦级风电机组最佳功率控制研究

【摘要】：随着社会发展,清洁的可再生能源如风能的大力发展对缓解能源危机具有十分重要的意义,风力发电机组控制系统是机组组成的核心部件,其控制技术代表着发电机组的性能品质。本文的研究对象为国产的1.5MW风电机组,对其风力发电低风速下最佳功率控制和高风速下最佳功率控制做了深入分析,并在MATLAB下进行了仿真和分析。 本文以研究风速模型和空气动力学基础理论为起点,分析风电机组不同风速下的工作状态,介绍风机的原理和模型,设计模糊控制器,在低风速下,将模糊控制技术应用到最大风能捕获的控制中来。仿真结果显示,低风速下,风机功率系数最大并保持恒定。可以表明,模糊控制具有较好的稳定性和动态性能。应用模糊控制来调整叶尖速比使得风机捕获最大风能以实现了低风速下风电机组的最佳功率控制的目标。 高风速下,设计PID功率控制器,通过调整桨距角获得功率平滑,依据控制系统的品质和目标,采用了以ITAE(Integral time absolute error,误差绝对值与时间乘积积分)准则的目标函数来衡量高风速下兆瓦级风电机组控制系统中的最佳功率控制器的效果,采用IGAE(Immune genetic algorithm with elitis,免疫遗传算法)来优化PID功率控制器,依据风机功率变化情况来寻找与最优抗体对应的PID参数,最后获得最佳功率控制效果。PID控制器具有结构简单、稳定性好、可靠性高的优点,但这种方法过分依赖于控制对象的模型参数,鲁棒性较差。针对风机的数学模型具有多变量、非线性、强耦合及风机运行环境的复杂性和使用传统PID控制出现的问题,本文设计FAPID(Fuzzy adaptive PID,模糊自适应PID)功率控制器,并基于ITAE准则,依靠ACSA (Ant colony system algorithm,蚁群系统算法)对FAPID的量化比例因子进行优化,继而对整个风力发电机组进行仿真。仿真结果表明兆瓦级风电机组模糊PID功率控制器能将功率稳定在额定功率附近,减小了采用PID功率控制器时的功率波动,ITAE值极小,模糊PID控制继承了常规PID控制无静差、静态稳定性好的特点,同时又兼有模糊控制适应能力强、动态性能好的优点,构建的模糊PID功率控制器能完全满足风机在高风速下最佳功率控制的要求。 【关键词】：风力发电 最佳功率控制 模糊控制 ITAE 模糊PID
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 论文的选题背景和研究意义8-9
• 1.1.1 论文的选题背景8
• 1.1.2 论文的研究意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.2.1 国内研究现状9-10
• 1.2.2 国外研究现状10
• 1.3 论文的主要研究内容10-12
• 2 变桨距风机控制理论12-18
• 2.1 风能理论12
• 2.2 风力发电机能量转化原理12-16
• 2.2.1 风能捕获原理12-14
• 2.2.2 桨距角调节原理14-16
• 2.3 风力发电机机最佳功率控制理论16-17
• 2.4 小结17-18
• 3 兆瓦级风电机组低风速下最佳功率控制18-36
• 3.1 基于模糊控制的低风速下最佳功率控制原理18
• 3.2 基于模糊控制的低风速下最佳功率控制器的设计18-31
• 3.2.1 兆瓦级风电机组系统模型18-22
• 3.2.2 模糊控制理论原理22-25
• 3.2.3 模糊控制器设计25-31
• 3.3 低风速风机最佳功率控制仿真模型建立31-34
• 3.4 低风速下风机最佳功率控制仿真分析34-35
• 3.5 小结35-36
• 4 高风速下基于ITAE准则的PID最佳功率控制36-47
• 4.1 高风速下基于ITAE准则的PID的最佳功率控制器的原理36-38
• 4.1.1 ITAE准则36-37
• 4.1.2 ITAE准则优化PID原理37-38
• 4.2 高风速下基于ITAE准则的PID的最佳功率控制器的优化设计38-43
• 4.3 高风速下基于ITAE准则的PID最佳功率控制仿真模型建立43-44
• 4.4 高风速下基于ITAE准则的PID最佳功率控制仿真分析44-46
• 4.5 小结46-47
• 5 高风速下基于ITAE准则的模糊PID最佳功率控制47-64
• 5.1 高风速下基于ITAE准则的模糊PID最佳功率控制器的原理47-48
• 5.2 高风速下基于ITAE准则的模糊PID最佳功率控制器的优化设计48-58
• 5.2.1 模糊自适应PID控制器原理48-49
• 5.2.2 模糊自适应PID控制器的建立49-52
• 5.2.3 模糊自适应PID控制器量化比例因子的优化设计52-58
• 5.3 高风速下基于ITAE准则的模糊PID最佳功率仿真模型建立58-60
• 5.4 高风速下基于ITAE准则的模糊PID最佳功率控制仿真分析60-62
• 5.5 高风速下风机功率误差分析62-63
• 5.6 小结63-64
• 结论64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70
• 攻读学位期间的研究成果70

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