毕业论文（设计）新能源控制系统综述

1、新能源控制系统综述摘要：新能源是-种清洁、实用、经济和坏境友好的可再生能源，可以为人类发展提供可持续的能源基础。在未來能源系统 屮，新能源具冇垂耍的战略地位。在发电系统屮，控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。木文以风能为 例，介绍了风能发电控制系统的结构和特点，然后对其应用范围及经济性特点进行了概括和分析，最后对未來风力发电控制 技术的发展趋势做了展望。关键词：风能发电 控制系统 特点 发展趋势1风能发电系统风力发电机组主要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成，如图1所示。图1风力发电系统风轮通过叶片捕获风能，是吸收风能并将其转换成机械能的部件。发电机实现机械能一电能转换

2、。由于异步发电机结构简单、运行可靠，目前风力发电儿乎均采用异步 发电机。发电机所发出的电能有两种处理方式：可以直接给负载供电或并入电网；也可以通过储能设备进行蓄 能，再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节 不仅可以将能量储存起来，还兼有稳定电压的优点，这样对负载供电更平稳，对电网的冲击亦可减小。2风能发电控制系统作为风能发电系统运转的中枢，机组的控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行 并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化 控制，以提高机组的运行效率和发电量。总的來说，控制系

3、统是保证整个机组正常、安全、高效运行的基 础。2.1风能发电控制系统的结构和特点2.1.1风能发电控制系统的结构在一个现代的风电场，每台风力发电机组都必须有自己的控制系统，以接受远程控制中心提供的运行 和保护功能。它必须包扌舌一个或多个以下附加元件：1）风速仪：测量风速，并把数据传输到控制器；2）大量的传感器：监测和调节各种各样的机械和电气参数；3）失速控制器:在风速达到设定的风速815mile/h时起动动机组,在风速为5070mile/h时停机,以避免叶片超应力，避免发电机过热；4）电力电子装置：对电能进行变换和调节，使其达到需要的标准；5）电子控制系统：一般采用计算机；6）电池：在独立系统

4、屮提高符合可用性；7）输电线路：将风电场与当地电网连接起来。根据风力发电系统各模块所处的位置及功能不同，可将整个系统分为三层：动力学层、控制层、检测层，如图2所示。图2风力发电控制系统结构框图1）动力学层动力学层为最低层。风动力学包含外部环境和本体动力学两大部分。前者包括时变的风、浪涌（离岸 风机）、地基土壤等因素，是进行精确载荷分析和计算所必须考虑的：后者包括机舱动力学、底层结构动 力学、地基结构动力学等，其中机舱是最为复杂的部分，包含风轮、驱动链、发电机、变流器等非线性但 却直接相关风能转换效能的组件。2）控制层控制层为屮间层。其屮，欠载荷时执行mppt （maximum power po

5、int tracking）控制，即风速小于额 定风速时，控制目标为最大风能追踪，通过转矩控制调节风轮转速，从而保持最佳叶尖速比，实现最大风 能转化。满载荷时执行变桨控制，即风速大于额定风速时，主要通过变桨距限制风能吸收，使输出功率维 持在额定功率。此外还有其他辅助控制措施，即为实现上述mppt和变桨而釆取的转矩/转速控制、矢量控 制、dc-bus/chopper控制，以及为自动对风采取的偏航控制、为并入电网采取的并网控制等。3）检测层检测层为最上层。本层对于保证高效安全的控制至关重要，系统状态、测量、控制命令及限制条件等 信息在本层和控制层之间传递。进一步地，可将本层划分为三个模块，模块1包括

6、疲劳载荷、极限载荷及 故障诊断；模块2为健康管理模块，包括载荷评估和容错机制；模块3为白维持体系，在检测层充当“大 脑”的角色，协调整个系统更安全高效地工作。2.1.2风能发电控制系统的特点（1）对风系统控制方式自然界的风方向多变，只有让风垂直地吹向风轮转动面，风力机才能最大限度地获得风能。对于小容 量的风力发电机，往往在风轮后面装一个类似风向标的尾舵，来实现对风的控制。对于大容量的风力发电机组，通常配有专门的对风装置一一偏航系统，一般由风向传感器和伺服电机 组成。在机舱后面的顶部有两个互相独立的传感器（风速计和风向标）。当风向发生改变吋，风向标登记 这个方位，并传递信号到控制器，然后控制器控

7、制偏航系统采用电力或液压拖动来完成对风动作，偏航方 式通常釆用齿轮驱动转动机舱。（2）发电机/变流器控制方式1）发电机控制方式矢量控制是风力发电机的经典控制方式，此外还有直接转矩控制、复合控制等，并在此基础上衍生11! 一系列改进的控制技术。例如，基于无速度传感器的矢量控制和基于多重化滑模观测器的矢量控制技术， 通过设计观测器來估计转子位置或转速，将估计与控制相结合以改善控制精度，但实时性和抗干扰性偏低。2）变流器控制方式采用双pwm变流控制是最常见的方式，可实现能量的双向流动和单位功率传输，其中pwm整流器 多采用直接电流控制。例如，从变流器角度提出的最大转矩电流比控制，以降低对变流器容量的

8、要求；针 对变流器并联运行控制问题研究各模块的监控及模块z间的数据通信和数据处理，使得各模块输岀电压和 电流保持严格同步。2.2风能发电控制系统的应用范围及经济性特点2.2.1风能发电控制系统的应用范围风能作为新型可再生资源，除了将风能转化为机械能而降低其速度外，并不煤炭、石油、核电、太阳 能板等附加污染，是相对清洁的能源。所以风能发电被认为是安全、环保、技术成熟的新能源。相对核电, 其更安全；相对太阳能，其规模开发成本更低；相对生物质能，相对海洋能和潮汐能，其产业化能力更强。我国风能资源丰富，集中在东南沿海及附近岛屿、东北、华北、西北及一些分散的内陆地区，海上风 能资源也蕴藏丰富。其中，三北

9、地区的风能储备约占全国陆地可用储量的80%,且地域平坦辽阔、风速较 平稳，是大规模建设风场的良好处所。同时，我国海岸线长，海上风速高且静风期少，发电利用率高；由 于海水表面粗糙度低、海风湍流强度小且风速随高度变化不明显，因此海上风电有益于机组髙效减载荷运 行。2.2.2风能发电控制系统的经济性特点随着近10年来风力发电技术的h趋成熟，其发电成本大幅下降。大致来讲，随着发电规模提高一倍,发电成本降低10%左右。近5年來，从包括基础建设成本、财务成本、运营维护成本等方面综合评价（见 表1），风力发电已远不到0.5元/kwh,其使用期的总成本费用已具备火电和水电竞争的实力。表1经济性特点参数描述表序

10、号内容单位参数描述备注1陆上风电场规模mw1002风电机组单机容量kw15003等效满负荷发电小 时数h1700、 1900、 2100、2300、 2500按照5种风资源状 况分别分析4单位千瓦投资元/kw8000、 9000> 10000按照3种投资状况 分别分析5年折现率%8主要用于衡量项目 自有资金占用的机 会成本6运行维护成本分/kwh第一年第二年4分 /kwh,第三年第十 年8分/kwh,第十 一年第二十年10 分/kwh,随着风电 设备备品备件的国 产化，年维护成本 平均降低1%,截至 2015年建设项目， 运营期经营成本降 低7%并维持不变。一般地，风电项目 投产运行后，

11、前两年风机由厂家保 修，年维护成本很 低，随着风机运行 时间推移，年维护成本逐年增加。7发电量kwh随着国产风电设备 技术不断进步，发 电性能不断提高， 故障处理能力不断 增强，2015年发电 量提高10%左右。8投资成木万元随着国产风电设备 技术不断进步，设 备成本不断降低， 2015年投资成本降 低7%o2.3风能发电控制系统的发展趋势风力发电系统的控制策略根据控制器的不同可分为两大类：以数学模型为基础的传统控制方法和模拟 人类智能活动及其控制与信息传递过程的智能控制。由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂 性，使风电机组成为一个复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，致使

12、风力发电系统很难 用数学模型来描述，所以传统控制方法在风力发电系统中不适用。由于智能控制可充分利用其非线性、变 结构、自寻优等各种功能来克服系统的参数时变与非线性因素，因此各种智能控制方案于近儿年被开始应 用于风电机组控制领域。2.3.1模糊控制模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制。它不依赖于被控对象的精确数学模型，因此能克服非线性因素彫响。由于风力发电系统是一个随机性的非线性系统，因此模糊控制非常适合于风力机的控制。模糊控制在发电机转速跟踪、最大风能捕获、发电机最大功率获取等方面取得了较好的控制效果。笼型异步发电机可采用模糊控制器跟踪发电机转

13、速以实现最大空气动力效率、计算轻载时磁链以实现发电机一逆变器效率优化，可根据功率偏差及其变化取得在额定风速以下运行时的最大功率。2.3.2神经网络控制人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用英自学习和自收敛性可作为自 适应控制器。在风力发电系统屮，神经网络可以用来根据以往观察风速数据预测风速变化等方而。变桨距 风力发电系统中可采用神经网络控制器通过在线学习并修改特性曲线，实现风能的最大捕获并减小机械负 载力矩，根据风速数据和风力发电机动态特性可建立神经网络参考自适应控制模型。基于数据的机器学习 是现代智能技术中的重要方面，研究从观测数据岀发寻找规律，利用这些规律对未来数据或无法观测的数 据进行预测，来对工业过程进行有效控制。这些学习方法包括模式识别、神经网络、支持向量机等。在风 电系统屮，可从运行机组获取大量重要数据，以对机组的动态特性和性能进行研究。因此，将上述基于数 据驱动的机器学习方法与风能转换系统的控制相结合，是解决风机控制问题的重要途径之一。参考文献1【2147钱爱玲.新能源及其发电技术.中国水利水电出版社，2013.mukund r.patel, wind and solar power systems design,analysis,and operation,2009 朱永强，朱凌志，赵红月.新能源与分布式发电技术北