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风电场发电机组功率分配控制工程研究

时间:2018-10-20 21:41来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇控制工程论文,控制工程是以控制论、信息论、系统论为基础,以工程应用为主要目的工程领域。其应用已遍及工业、农业、交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融。
本文是一篇控制工程论文,控制工程是以控制论、信息论、系统论为基础,以工程应用为主要目的工程领域。其应用已遍及工业、农业、交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融和社会各个领域。与机械工程、计算机技术、仪器仪表工程、电气工程、电子与信息工程等领域密切相关。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇控制工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题背景及意义
近年来,随着经济的快速发展,传统的煤,石油,天然气等非可再生能源的消耗量不断增长。同时,过度的能源消耗致使我们的生存环境日益恶化,尤其在发展中国家,为了发展经济过度消耗能源,有害气体排放量严重超标,空气质量恶化速度极快。为了能够最大限度的减少环境的污染,以及不过度开采化石能源,全世界各国都全力提倡、鼓励新能源的开发,比如:风能、太阳能、水能资源等等。随着政府相关政策的出台,风能作为一种绿色、清洁、无污染的可再生能源,在当前严峻的能源危机以及严重的环境问题下,备受瞩目。在众多清洁可再生新能源的激烈竞争中,风能崭露头角,因为风能拥有分布较为广泛、蕴藏能量丰富而且环境极为友好的特点。基于此,风力发电快速在全世界范围内发展壮大,风力发电技术也日趋成熟,单台机组的单机容量以及风电场的整体规模逐渐增大,其装机并网容量以及发电量占全世界电力系统总发电量的比重日益增大。因而对风力发电进行深入研究有极其深广的意义。然而由于风本身具有随机性、波动性以及不可控性等特性,当大容量风电场接入电网时,对整个电网的稳定性、安全性、经济性、运行调度方式、无功补偿措施以及电能质量都会产生较大影响【1-3】。大规模风电的接入对电网影响主要表现如下:首先,风电机组输出功率与风速的三次方成正比,由于风速的随机性,风力发电容易出现较大的功率波动,其出力的不断变化会给电网带来冲击。其次,风能的随机、不确定性使得电网调度部门无法针对风电场做出合理、精确的发电计划,为了保证整个电网的安全、稳定的运行,必须留足够多的旋转备用容量防止风电场输出功率的波动太大,从而大大增加了运行的成本。再次,风电机组频繁投入和切出使风电场接入电网的潮流始终处于一个重新分配的状态, 一天之内可能出现数次启动并网与停机解列的情况,影响电网系统的频率,甚至会造成瞬间电源和负荷失衡,引起电网频率的瞬时降低。大规模风电接入电网给电网的安全稳定经济运行带来了影响,使得一些电网部门出于系统安全运行的考虑,导致其接纳风电的能力大大降低,弃风限电现象在我国尤其严重。实际工程上通常采用平均分配和按风速权重分配的方法将调度中心的功率给定分配给风电场每台机组,而每台机组的运行状态是有差别的,传统分配方式没有考虑每台机组的实际运行情况,导致有的机组发电能力有余,而有的机组载荷过大。确保风电场输出功率较好的跟踪电网调度指令,是当前风电场有功功率分配控制的研究热点【4】。本文围绕风电场有功功率分配控制问题开展研究,重点研究风电场有功功率分配策略。综合考虑风况、机组功率调节能力和运行状态的有功功率分配策略对风电控制技术的发展及电力系统的安全稳定运行有着重要的理论意义和工程实用价值【5】。
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1.2 风力发电国内外发展现状
 
1.2.1 国外风力发电发展现状
风能作为一种可被利用的清洁能源早在西元前就得到了开发利用,但风能因其随机不可控性,风能利用需要较大的技术支持,由于开发利用风能的技术发展缓慢,长久以来都没有引起人们足够的关注。但自从 1973 年,世界爆发了石油危机,传统化石能源告急。再加上化石能源的开采利用给生活环境带来了压力,风能作为一种清洁、环境友好的新型能源又重新受到全世界各国的关注。风能作为一种储量大、可再生、无污染的新型能源有很好的发展前景,尤其是边远地区,交通不便、地广人稀,以及离电网较远的农村、边疆,风电可以作为一种解决生产和生活能源的途径,有着十分深广的意义。风能在全球因其储能量大、分布广泛、绿色清洁,得到了大规模应用。美洲和欧洲最早开始进行风力发电研究与风电应用。尤其是欧洲,从 20 世纪 90 年代开始,风力发电已经开始大力发展。然而最近几年,全球风力发电的中心已经慢慢从欧洲美洲地区转向以印度、中国、日本为代表的亚洲地区,亚洲各国对可再生能源重视程度相较以前有了很大的提高,因而亚洲国家风力发电发展迅猛,迅速在全球风电市场占领一席之地。中国作为全球风力发电发展的重要力量,近几年风力发电产业突飞猛进:单台风电机组的装机容量不断增大、风电场的规模日益壮大、风电场的分布越来越广泛、风电总发电量所占全国电力行业总发电量的比例也不断提高。风电市场在未来也有着很好的前景。据全球风能理事会(GWEC)预测,到 2020 年,风电年新增市场将达到 100GW,累计市场达到 879GW;到 2030 年风电年新增市场达到145GW,累计市场达 2110GW;到 2050 年,年新增市场达到 208GW,累计市场容量达5806GW。GWEC 的预测趋势符合风电行业长期发展目标,在发展中国家仍然以火力发电为主,排放有害气体污染生存环境的大环境中,未来的经济发展与转型,风力发电将起到举足轻重的作用。GWEC 超前发展情景显示,风电到 2020 年将提供全球 1/3 的电力需求,而全球能源政策也趋于抑制气候变化这个大目标,同时亦能兼顾运行安全,价格稳定以及制造就业和保护水资源的其他目标。在超前情景中,到 2020 年,风电年新增市场将达到100GW,累计市场达到 879GW;到 2030 年,风电年新增市场达到 145GW,累计市场达2110GW;到 2050 年,年新增市场达到 208GW,累计市场容量达 5806GW【6】。
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2 永磁同步风力发电系统的基本原理及数学模型
 
2.1 风力发电系统组成
直驱永磁风力发电系统一般由风力机、永磁同步发电机、变流器及控制系统组成【16-19】。其中,风力机是风力发电系统能量转换的核心部件【20】,风力机把从大气中捕获的风能转换为机械能,再经传动系统,将机械能输出给发电机,发电机将机械能转换为交流电压,然后通过 PWM 整流器变为直流电压,再经过逆变器变为与电网频率相同的交流电压并网【21, 22】。目前,有两种典型的直驱永磁风力发电系统:不控整流 Boost 控制直驱永磁风力发电系统以及双 PWM 控制器控制的直驱永磁风力发电系统。Boost 斩波电路中因电感纹波较高会导致转矩波动较大不利于转速转矩控制,而双 PWM 主动整流拓扑结构目前应用较为广泛,基本结构示意图如图 2-1 所示,其功率变换器主要由发电机侧变换器和网侧变换器两个电压电源型变换器组成。两个变换器中间的电容可以起到能量交换和缓冲的作用。
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2.2传统限功率控制原理
在风力发电前期,风电机组全额投入使用,风电场发电目标为最大限度地利用风能产生最多的电能【38】。其主要运行方式为:在额定风速以下,按照最大风能跟踪控制模式运行;在额定风速以上,按恒功率控制模式运行。风电机组全额投入运行只需要保证每台机组都正常投入运行,不需要考虑风电场的调度问题。然而现在随着单台机组装机容量的增大、风电场规模的增大,电网调度基本要求风电机组限功率运行。此时就需要将风电机组从“适应风速”向“适应电网”转变,即在全风速范围内具备限功率控制特性【39】。其主要运行方式不仅是在恒功率运行区域,而是在多个运行区域中都需要通过调整桨距角以及转速来控制风能转化率,以降低功率达到限功率输出的目的【40, 41】。当风电机组给定功率小于风电机组最大可发功率,风电机组处于限功率运行。此时需要将机组获得的机械功率调整至给定功率,该控制主要通过控制风能利用系数pC来完成,即找到一个合适的pC值。风能利用系数pC可以通过桨距角和转速的控制实现调节。当运行风速超过额定风速时,风电机组只能通过桨距角控制完成限功率控制;而运行风速处于中低风速时,限功率可以通过提升转速使其偏离最优功率曲线,从而降低风能利用系数pC达到限功率的目的。
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3 风电机组功率调节能力分析与评价...............14
3.1 变速变桨联合功率控制策略......14
3.2 风电机组运行分析........14
3.2.1 变速运行区.............15
3.2.2 变速、变桨综合运行区.......15
3.2.3 变桨限功率运行区...............16
3.3 全风况下机组功率调节能力评价............17
3.4 仿真实验..........18
3.5 本章小结..........23
4 基于机组功率调节能力的风电场有功功率分配策略...............24
4.1 风电场有功功率分配原理..........24
4.2 基于机组功率调节能力的风电场有功功率分配算法........24
4.3 仿真实验..........28
4.4 本章小结.......... 30
5 基于模糊模型评价机组能力的风电场有功功率分配策略....... 32
5.1 全风况下机组发电能力模糊评价............ 32
5.2 基于模糊模型评价机组能力的风电场有功功率分配算法.............. 35
5.3 仿真实验.......... 36
5.4 本章小结.......... 41
 
5 基于模糊模型评价机组能力的风电场有功功率分配策略
 
5.1 全风况下机组发电能力模糊评价
风电场有功功率分配时,评价机组的功率调节能力是风电场有功功率调度的基础。而在实际风电场运行过程中,存在以下问题:风电机组数学模型复杂、非线性强,对实时控制系统的计算能力是一个挑战;风电机组长时间运行在恶劣环境中,受到气动载荷、重力载荷等多种载荷,同时由于材料老化、生产误差、安装误差等影响,叶片发生扭曲、变形,故采用准确的数学模型评价机组功率调节能力,实际工程中存在较大困难。而应用模糊理论评价机组发电能力可以不过多依赖精确知识,因而可采用基于模糊理论评价机组发电能力。在风电机组实际并网运行过程中,要求风速、转速和桨距角均处于安全运行范围,按照“健康机组多承担发电任务”的原则,安全运行范围内的风电机组应多承担发电任务。同时结合上第三章对风电机组功率调节能力的分析,功率调节能力强的风电机组也应多承担发电任务。根据以上两条原则,可以将风电机组的模糊能力评价分为机组的健康度和机组功率调节能力,其中健康度表示机组的安全运行健康状态,机组功率调节能力表示机组的有功功率输出变化能力。
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总结
 
由于风本身具有随机性、间歇性以及不可控性,因此当大容量风电场接入电网,对整个电网系统的稳定性、安全性以及经济性产生影响。由于风速的随机性,间歇性以及不确定性,风电输出功率与风速的三次方成比例,风力发电不能像常规电厂如火电,水电那样发出稳定可调的功率,容易出现较大的功率波动,因而给电力系统的安全,稳定及其经济运行带来极大影响。围绕风电场发电机组有功功率控制与分配,本文主要研究了以下几个方面:
(1) 详细介绍了直驱永磁同步风力发电系统的基本原理,并建立了风力机、永磁同步风力发电机的数学模型。
(2) 根据变速变桨联合功率控制策略,对风电机组限功率运行区域进行分析,并针对不同的运行区域评价机组调节功率的能力,通过对 1 台 1.3MW 的永磁同步风电机组进行仿真,仿真结果证明了风电机组处于不同运行区时机组的功率调节能力不同,且当转速上升时,机组的变转速上升能力增大、下降能力减小;当转速下降时,机组的变转速上升能力减小、下降能力增大;当机组桨距角增大时,机组的变桨距角上升能力减小、下降能力增大;当机组桨距角减小时,机组的变桨距角下降能力减小、上升能力增大。
(3) 根据机组调节功率的能力对整个风电场各机组进行有功功率分配,通过对 10 台1.3MW 的永磁同步风电机组进行仿真。仿真实验结果表明,与按风速权重风电场机组有功功率分配策略相比,本文提出的基于风电机组功率调节能力的风电场有功功率分配策略提高了风电场输出功率的控制精度和输出功率的平稳性,减小了功率调节过程中各台机组转速变化,降低了对机组传动链的冲击,降低了机组桨距角调节频率,减小了对变桨机构及桨叶的载荷。
(4) 利用风电机组的风速、桨距角和转速的状态信息,结合风电场限功率控制特性,采用模糊评价算法评价风电机组的健康度和调节能力,最终采用按能力权重分配算法完成风电场有功功率分配,并通过仿真实验,与传统风电场有功功率调度算法比较验证。实验结果表明该算法可有效降低功率输出波动,提高电能质量,降低机组的桨距角频繁执行和高风机组的载荷,降低风电场维修成本,可有效提高风电场经济效益。可为风电场实际有功功率调度提供一种解决方案。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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