变速恒频双馈风电机组最优功率控制研究

随着风电技术的迅速发展，保证风电机组稳定可靠运行已经不再是难题。对变速恒频双馈风电机组最优功率控制的研究逐渐成为难点和热点，引入先进的控制理论，研究具有高效率的风能转换系统控制方法，具有重要的研究价值，目前已经得到了国外很多学者的关注。本文以国家科技支撑计划的重大项目“适应海、陆环境的双馈式变速恒频风电机组的研制”课题为依托，以3MW双馈变速恒频风电机组为研究对象，对额定风速以下、额定风速以上、额定工况的过渡阶段的控制策略进行了深入的研究。其控制目标由单一化向多目标化发展，目的是通过3MW双馈风电机组的控制研究进一步最优输出功率。本文主要研究工作归纳如下： 首先，根据风速具有多时间尺度的特性，基于著名学者Iulian Munteanu对风速的分析，利用风速分频原理，将风速分为稳态风速和动态风速。考虑低风速工况和高风速工况下发电机的转矩控制策略，在低风速情况时设计稳态控制器和动态控制器，目的是为了获取最大的风能以及减小电磁振荡，设计LQG最优控制器，并和PI控制器进行对比，仿真结果显示出所提出的控制方法是有效的。在高风速下为保持恒功率的输出设计了变桨稳态和动态控制器，同时将多目标的混合控制引入到稳态动态控制中，替代原有的单一目标控制，实现多目标控制策略之间的补偿，最后给出3MW风电机组的仿真分析。 其次，针对风电机组在切换点附近运行时，会频繁出现切换控制回路的现象，引起风电机组的振荡，降低风电机组运行效率等问题，提出一种新型基于风速估计的前馈补偿最优功率控制策略，目的是为了在过渡阶段不同运行状态下可以迅速平滑输出功率，有效地降低风电机组的变桨距的频繁动作。通过仿真和实验，验证此策略的可行性和有效性，实验结果表明该种新型方法能够有效减小发电机输出功率波动，改善风电机组的电能质量，具有良好的控制效果。 最后，在全工况下进行控制和仿真，构建3MW风电机组半实物仿真测试平台。通过模拟风电场全风况对LQG最优的动态控制、基于风速估计的前馈补偿最优功率控制策略进行了试验研究。半实物仿真平台如风轮、发电机、塔架等都用GH公司的Bladed仿真软件来模拟，而风电机组中的控制系统、传动系统、变桨机构都是应用实物来做实验，整个半实物实验台相当于完整的风电系统。根据实验结果看出，所设计的控制策略能够满足控制的需求，仿真结果和理论研究是可行的、有效的。