非线性控制在风力发电机中的应用.docx

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非线性控制在风力发电机中的应用

邵广安406107008001 电机电器

摘要：

由于我国的经济快速发展，能源和电力紧缺，风力发电事业逐渐被国人所重视。

不同的风能转换系统具有不同的设计目标,控制系统是风能转换系统的重要组成部分,也是控制工程界一直十分关注的问题,然而,这类问题一直没有得到完善的解决,继续具有挑战性,大量的文献不断涌现。

最后介绍了变桨

距风力机的线性和非线性控制。

最后对风力发电机的控制的技术进行了展望，对用模糊控制、自适应控制、神经元网络控制得优缺点进行了分析。

关键词：

风能转换系统变桨距风力机控制系统非线性控制智能控制

Abstract：

AstherapiddevelopmentofeconomicinChina,energyandpowerarebecomingshortage,windpowergenerationgraduallybeinggotmoreattentionbycitizens.differentwindenergyconversionsystemwithdifferentdesigngoal,thecontrolsystemiswindpowerconvertersystem,isalsoanimportantpartofthecontrolengineeringhasbeenconcernedwiththeproblem,however,thiskindofproblemhasnotbeenperfectsolution,continuetochallenging,extensiveliteratureemerge.Thenvariablepitchwindturbineofthelinearandnonlinearcontrolisbeingintroduced.

Finally,thecontrolofwindturbinetechnologyispredicted,theadvantagesanddisadvantagesofusingfuzzycontrol,adaptivecontrol,andneuralnetworkcontrolhasbeinganalyzed.

Keywords:

windenergyconversionsystem;variablepitchwindturbinecontrolsystem

non-linearcontrolintelligentcontrol

一、概述

1、风力发电的必要性

随着经济的快速发展,能源的消费逐年增加,常规能源资源面临日益枯竭的窘境,迫切需要一些清洁、无污染、可再生的新能源。

在目前众多可再生能源与新能源技术开发,中最具规模化开发条件和商业化发展前景、潜力最大的就是风力发电。

风能虽是一种取之不尽、用之不竭的可再生能,源但是,由于风能能量密度小、稳定性差、不能储存、效率较低,利用风能发电比用水力发电困难得多,使得风力发电系统在技术上和管理上都出现了一些特殊问题。

实际上,风能转换系统所发出的电能,若不加以控制,并不具备太大的商业使用价值,若直接并入电网,是对电网的一种污染———绝大多数情况下,只对电网的谐波有贡献,而且会影响局部电网运行的稳定性。

风力发电机组控制目标通常有很多项,控制方法多种多样,但目前亟待解决的两个核心问题是:

风能的最大捕获以提高风能转换效率、以及改善电能质量问题。

风能转换系统具有强非线性,且风电场风能参数不确切可知,具有强烈的随机性、时变性、不确定性,含有未建模或无法准确建模的动态部分,对这样的系统实现有效控制是极为困难的。

随着电力电子技术及微型计算机的发展,先进的控制方法在风能转换系统控制中的应用研究已几乎遍及系统的各个领域,不少有价值的研究论文见诸于国内外学术会议、学术刊物上,取得了一批有价值的成果。

本文介绍了现代控制技术的基本方法及应用,提出若干需解决的问题。

我国能源和电力短缺形势严峻，已经成为经济高速发展的严重制约。

如果按照党的十六大提出的走新型工业化道路，到2020年我国国内生产总值要实现比2000年翻两番的总目标。

我国2003年的能源消费总量为16.78亿吨标准煤，如果能源消费也随之翻两番，到2020年我国能源消费总量将达到近60亿吨标准煤。

我国常规能源（煤、石油和天然气）探明总资源量约8200亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1500亿吨标准煤，按照2020年的能源消费总量计算，我国的常规能源仅能够满足我国25年的使用，也就是说，到2045年，我国的常规能源将消耗殆尽。

因此，

能源消费翻两番将令我国的国情难以承受。

随着经济的高速发展，电力供需矛盾日趋突出，众所周知，我

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国每年到用电高峰季节，各地电网经常出现拉闸限电的现象。

这还是在我国人均能源消费量只有世界人均能源消费水平的一半的基础上，如果我们在未来发展中向发达国家看齐，能源和电力可持续发展的任务将更为艰巨!

综合资源、技术、经济、环保四方面的因素，大规模发展风力发电是解决我国能源和电力短缺的最现实的战略选择。

从20世纪90年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源异军突起。

就能源、电力而言2，1世纪将是可再生能源的世纪。

2、国内外风力发电发展的现状及发展趋势

风电一直是世界上增长最快的能源，装机容量年增长超过30%。

到2003年初，全球风力发电装机容量达到3200万千瓦，亦即其总量已经相当于犯座标准的核电站，足以供应1600万欧洲普通家庭或4000万欧洲居民的电力需求。

几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。

过去5年中全球风电累计装机容量的平均增长率，一直保持在33%，而每年新增风电装机容量的增长率则更高，平均为35.7%。

（一）、国外风力发电产业的现状

国外风电企业起步较早，一般以独资或合资方式运行。

为了降低成本和提高市场竞争能力，风电机组沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。

上世纪末，风电机组主流规格在欧洲是750Kw，到2002年前后，主流机型已经达到1.SMW以上。

兆瓦级以下，失速型机组在当今的大型风电机市场上仍占据相当的份额。

随着机组大型化的发展，兆瓦级以上的机组技术普遍采用了变桨变速的先进技术。

欧洲的风电企业占了全球市场的50%以上。

基于一次能源的枯竭和环境保护考虑,世界各国都把开发新的再生能源作为能源发展方向,对电力供应而言,潜力最大的是利用风力和太阳能发电。

应用新材料和先进技术开发研制的大功率并网型风力发电机组使风力发电效率不断提,高成本日益下降,欧美许多国家的风电上网电价己具备火电竞争的能力,世界风力发电总功率已超过13GW,欧洲某些国家风力发电量已占到全国总发电量的10%。

在20年内风力发电可满足世界电力需求量的10%。

（二）、国外风力发电产业的现状

我国风力发电已有一定规模的发展,联网风力发电总装机容量已达370MW。

但大型并网型风电机组主要依赖进口的现状,造成风电上网电价过高,已成为制约我国风电发展的一个主要因素。

目前风力发电面临2个函待解决的问题——发电效率的提高和风电质量的控制。

提高风能利用效率、降低发电成本是发展风电事业的必备前提,许多学者在风力发电设备和风电系统性能改善方面进行了大量研究,但还未取得满意的成果。

现代控制技术和电力电子技术的发展为上述2个问题的解决提供了技术基础,应用这些最新发展的技术开展对这2个关键问题的研究,对我国风电事业发展和能源结构改造具有重大意义,也是我国赶上世界先进风力发电技术的契机。

我国是一个风能资源丰富、分布广泛的国家。

如果按年利用小时2数000

—25O0h计，风电的年发电量可达5060亿~6325亿KWh。

风力发电非常适合我国风力资源丰富的偏远山区、农村、海岛等不适合大规模建设电力网的地区进行供电，成为一次能源的重要补充。

但是目前我国的风力发电事业还处于起步阶段，装机容量只占全国发电总装机容量的0.11%，国内大型风力机的制造水平和控制技术与国外先进技术有较大差距。

国内所建设的各大型风力发电场主要靠进口设备，平均每千瓦造价约

1000美元，这也是风电成本较高的主要原因。

另外，一个影响风力发电大规模应用的重要原因是风力发电

的稳定性问题，风能具有很高的不确定性，这将导致输出的功率不能像传统的火电、水电那样保持恒定，当接入电网的风机容量不断增大时，这种不确定性会对电网的正常运行产生较大影响，甚至威胁电网的安全稳定运行。

在国家科技部等有关部门的主持下，我国大型风力发电机组及其部件在设计制造方面取得很大的进展，完成了以600KW风力发电机组为主导机型的国产化进程。

截止到2003年，600KW风力发电机组国产化率达96%，国产化机组在风电市场累计占有率为15.35%。

目前，我国已经拥有750Kw以下各类风电设备的制造能力，兆瓦级风力发电机组正在研究试验阶段，风电机组正由定桨距型向变桨距型过渡。

我国风力发电机组设备制造厂大多是近6一8年组建完成的，通过合资或许可证方式引进国外成熟技术，开发研制具有自主知识产权

风力发电机组的能力相对较弱。

750KW以下的风力发电机组主要零部件如叶片、齿轮箱、发电机、偏航装置、电控系统、塔架等已经国产化，并可进行批量生产。

其中，中（航保定）惠腾风电设备有限公司已完成

了750KW机组配套叶片的开发，正在开发研制130OKW风力发电机组叶片。

重庆齿轮箱有限责任公司已开发研制出了600KW、75OKW齿轮箱，正在开发研制130OKW的齿轮箱。

兰州电机厂、湘潭电机厂、永济电机厂则完成了600Kw、750KW风力发电机组发电机国产化设计、制造，正在开发研制130oKw发电机。

3、风力发电的原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。

风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。

风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。

风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。

发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。

一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。

在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。

一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。

尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。

限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。

限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变塔。

架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。

风力机的输出功率与风速的大小有关。

由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。

风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。

目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶