风力发电机组的控制技术_第3版.pdf

机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目风力发电机组的控制技术第 3 版叶杭冶 编著机 械 工 业 出 版 社本书主要介绍变速恒频风电机组的控制技术。在风轮空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统地介绍了风电机组的特性，风电机组的并网技术，变速恒频风电机组的控制目标、控制策略和常用的控制方法及控制器的设计方法；介绍了风电机组的状态监测与性能测试技术；讨论了独立变桨控制技术、自适应控制技术、模糊逻辑控制技术在风电机组上的应用，探讨了风电机组的系统辨识。本书主要供从事风力发电技术研究的工程技术人员参考，也可作为高等学校相关专业的教师、研究生的参考书。图书在版编目（CIP）数据风力发电机组的控制技术/叶杭冶编著.3 版.北京：机械工业出版社，2015.5ISBN 978-7-111-50017-9.风.叶.风力发电机-机组-控制系统.TM315中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 081285 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：张沪光责任校对：佟瑞鑫 封面设计：马精明责任印制：北京圣夫亚美印刷有限公司印刷2015 年 7 月第 3 版第 1 次印刷169mm 239mm21.5 印张415 千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-50017-9定价：58.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88361066读者购书热线：010-68326294010-88379203封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 岚近 10 年来，我国风力发电持续高速发展。风力发电机组的控制技术 第 2 版自 2005 年出版发行到 2013 年重印了 7 次，被国内专业期刊论文引用 1500 余次。在科学技术快速发展时期，一本技术专著能够在这么长时间里拥有读者，使我深受鼓舞。但不可否认，第 2 版中的许多内容已经不再适用，随着风电场建设规模的不断扩大和风电机组的大型化，新技术的开发与应用受到业界的广泛关注。在这期间，作者参与完成了国家 863 计划“大型风力发电机组的独立变桨技术”“风电机组智能控制技术及在线监测技术”和国家 973 计划“风力发电系统辨识与自适应控制机理研究”等课题的研究。为了回报广大读者的厚爱，作者将这些课题的研究报告整理后编入了第 3 版，分别为第七章风电机组的独立变桨控制技术、第八章自适应控制技术在风电机组上的应用、第十章风电机组的系统辨识。上述课题的主要研究人员潘东浩教授级高工、许国东高级工程师、应有工程师和孙勇工程师给予了大力支持，在此深表感谢。本次再版同时对原有的章节做了删改和补充，其中包括：第四章补充介绍了双馈异步风电机组的并网技术、永磁同步风电机组的并网技术和风电机组对电网稳定性的影响；第五章介绍了变速恒频风电机组的控制目标、控制策略和常用的控制方法和手段；第六章介绍了变速恒频风电机组控制器的设计方法，并增加了风电机组的状态监测与性能测试（第十一章）。由于新编入的内容仍然在研究与探讨之中，仅供读者参考，如有不当之处，敬请批评指正。作者于 2015 年 3 月 21 日本书自第 1 版发行后，国内风力发电开始进入大规模开发时期，从事风力发电技术装备研发和产业化的人越来越多。为了满足读者的需求，同时考虑到风力发电技术的迅速发展，对本书进行了再版。与第 1 版相比，第 2 版主要在以下几个章节作了较大修改：第七章控制系统的执行机构，增加了第三节采用电机驱动的变距系统。第八章变速风力发电机组，将第二节改为变速发电机及其控制方式，并对第一部分进行了重写。第十一章风力发电机组的智能控制，增加了第二节模糊转速控制器的设计。此外对第一章绪论也作了删改；对书中其他章节中个别文字与插图的错误作了订正。作者对现代并网风力发电机组的研究已有 20 多年的历史，并且每年在世界各地都举办了各种形式的学术研讨会，发表数以百计的学术论文，但至今为止，国内外系统介绍现代并网风力发电技术的书籍仍然寥若晨星。多年前虽然出版过一些介绍风力机空气动力学原理和能量转换原理的书籍，并且这些基本原理对于大型风力发电机组的研究仍然是适用的，但现代并网风力发电机组所涉及的技术和理论已远远超出了这一范围。本书在风力机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统地介绍了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求与控制策略；介绍了风力发电机组的软并网技术、变桨距技术和变速风力发电机组在实现对最佳功率曲线的跟踪过程中的各种控制和处理方法。在介绍变速风力发电机组控制技术的基础上，对基于模糊逻辑控制和神经网络的智能控制系统也作了简要介绍。最后介绍了对电力电子器件引入谐波和变功率因数问题的控制方案。由于风力发电机组的控制主要是对风轮的转速和输入功率进行控制，这些都涉及风轮的能量转换过程及与之密切相关的空气动力学问题。为此先在第二章中对风力机的基础理论作一简要介绍。此后为了循序渐进，先介绍定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组的控制技术，以及与控制技术密切相关的伺服系统。在此基础上介绍变速风力发电机组的控制技术，讨论各种控制策略、处理方法及模拟试验结果。作者多年来一直从事风力发电技术研究，参与设计了多种型号的定桨距和变桨距风力发电机组，因而可以从比较实用的角度介绍这两种机组的控制技术。对于变速风力发电机组则主要从理论分析与实验研究的角度予以介绍，所引用的国外最新技术成果已在参考文献中全部列出。本书的出版荣幸地受到机械工业出版社基金支助，还受到国家高技术研究发展计划专项经费资助。本书主要供从事风力发电机组设计、研究的工程技术人员参考，也可作为理工科大学电机及控制专业教师和研究生的参考书。书中的错误恳请读者批评指正。作者于 2002 年 1 月 8 日第 3 版前言第 2 版前言第 1 版前言第一章 绪论1第一节 控制技术的研究内容1第二节 风力发电机组的总体结构2第三节 控制系统的研究方法5第二章 风力机的基础理论7第一节 风力机的能量转换过程7第二节 桨叶的几何参数和空气动力特性10第三节 风轮的气动力学16第四节 简化的风力机理论17第五节 涡流理论21第三章 风电机组的特性分析28第一节 风电机组的基本特性28第二节 传动系统的动态特性37第三节 发电机及变流器的特性39第四章 风电机组的并网技术52第一节 定桨恒速风电机组的软并网技术52第二节 双馈异步风电机组的并网技术59第三节 永磁同步风电机组的并网技术62第四节 风电机组对电网稳定性的影响64第五章 变速恒频风电机组的控制74第一节 变速恒频风电机组的控制目标74第二节 变速恒频风电机组的控制策略75第三节 常用的控制方法和手段81第六章 变速恒频风电机组控制器的设计86第一节 控制系统的设计方法86第二节 控制系统的设计过程99第三节 查表控制与最优控制120第四节 外部控制器的设计127第五节 外部控制器的实现143第七章 风电机组的独立变桨控制技术158第一节 大型风电机组独立变桨控制技术理论研究158第二节 基于不同载荷测量的独立变桨控制实现方案研究167第三节 基于测量叶根载荷的独立变桨控制系统设计168第四节 独立变桨控制的仿真分析研究185第五节 基于 LGQ 控制的独立变桨控制技术研究205第八章 自适应控制技术在风电机组上的应用211第一节 自适应控制技术在转矩控制中的应用211第二节 自适应控制技术在变桨控制中的应用215第九章 基于模糊逻辑的转速控制224第一节 模糊逻辑控制224第二节 模糊逻辑转速控制器229第三节 仿真与模拟研究235第十章 风电机组的系统辨识239第一节 系统辨识理论239第二节 基于风电机组模型的系统辨识方法252第三节 基于 LPV 的风电机组系统辨识283第四节 半物理仿真平台上风电机组的系统辨识291第十一章 风电机组的状态监测与性能测试298第一节 风电机组的状态监测298第二节 风电机组的性能测试313参考文献332第一章绪论能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且会造成严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。据专家们估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有 2%转换成风能，可装机发电达 10TW，每年可发出电力 18PWh。近 10 年来风力发电在全球范围持续高速增长，2014 年全球装机容量已超过 369GW。风力发电的高速发展，促进了风力发电技术的不断进步，为风力发电更大规模的发展提供了可能。第一节 控制技术的研究内容随着风电机组单机容量的增大和风力发电在电网中的比例不断提高，风力发电机组控制技术的研究范围不断扩大，目前大致可分为两个层面。一是以提高风力发电机组单机性能为目标的控制技术（机级控制），其中包括以实现最大风能转换效率为目的的风轮转速对风速的跟踪技术；以降低不平衡、不对称或间歇性载荷为目的的各种变桨控制技术和独立变桨控制技术；以提高电网友好性为目的的电网故障穿越技术等，以及与上述密切相关的机组的建模与仿真技术和系统辨识技术研究；二是以提高风电场运行有效性和电网的安全性为目标的控制技术（场级控制），其中包括风电场在线监测和远程监控及数据统计分析技术；风电场短时功率预测和调度技术等。本书主要讨论机级控制。风力发电机组的控制系统是一个综合管理平台。它不仅要监视电网、风况和机组的运行参数，在各种风况或故障情况下确保机组和电网的安全性与可靠性；还要根据风速与风向的变化以及电网情况对机组进行优化控制，以保证机组高效、稳定地运行；还要根据电网的要求，进行能量的调度和控制。在风力发电技术的发展过程中，控制技术始终起着主导作用，并且随着风力发电技术的发展，其重要性更加突出。20 世纪 80 年代中期，定桨恒速风力发电机组实现了商业化运行，它主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题。定桨恒速风力发电机组采用了软并网技术、空气动力制动技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，叶片的桨距角在安装时已经固定，而发电机的转速受到电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨1风力发电机组的控制技术 第3 版恒速风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨恒速风力发电机组能够在较短时间内大规模推广运行。20 世纪 90 年代初期，基于高转差率异步发电机进行有限变速的全桨变距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力发电机组的起动性能和功率输出特性都有显著的改善。这时，风力发电机组的液压系统不再是简单的以制动为目的的执行机构，为实现变桨控制，它采用电液比例阀或电液伺服阀组成了闭环控制系统，使风力发电机组的控制水平提高到一个新的阶段。由于有限变速的全桨变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了 20 世纪 90 年代中期，基于变速恒频技术的全桨变距风力发电机组开始进入风电市场。变速恒频风力发电机组与定桨恒速风力发电机组的根本区别在于，变速恒频风力发电机组风轮转速可以跟随风速变化，从而使机组获得最佳功率输出特性。变速恒频风力发电机组的主要特点：低于额定风速时，它能最大限度跟踪最佳功率曲线使风力发电机组具有较高的风能转换效率；高于额定风速时，它可以增加传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了电网瞬时故障穿越等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电能的目的。今后风电机组控制技术的总体发展方向是智能化，机级和场级控制融合在一起。新一代物联网技术、传感检测技术、大数据和云计算将更多地应用到风电机组的控制系统，同时风电机组故障自诊断和自修复技术，部件寿命预测及评估技术日趋成熟，并结合预测