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基于实测风功率曲线的风机控制方法的研究.pdf80页
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同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名： 砷卿 新虢茹妯粕 签字日期：加，弓年／月／汐日 签字日期：。沙蝎年，月，矿日 中图分类号： 学校代码：10004
UDC： 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于实测风功率曲线的风机控制方法研究 Curve ofWindPower BasedonMeasuredPowerConversion Control Systems
作者姓名：王伟娜 学 号： 导师姓名：李润梅 职 称：副教授 学位类别：学术型硕士 学位级别：硕士 学科专业：控制理论与控制工程 研究方向：风力发电 北京交通大学 2012年12月 致谢 本论文的工作是在我的导师李润梅教授的悉心指导下完成的，李润梅教授严
谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来
李润梅老师对我的关心和指导。 李润梅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给
予了我很大的关心和帮助，在此向李润梅老师表示衷心的谢意。 宋永端教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷
心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，丰术、赵顺利、李明、陈红岩、张明慧、许
红杰、申龙龙等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的
感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘
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基于实测风功率曲线的风机控制方法研究
【摘要】：在石化能源日趋枯竭、环境污染加重的背景下,风力发电技术作为新能源技术的一种,越来越受各国的青睐。控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核心部分之一,控制技术对风力发电机组的安全、稳定、高效的运行起到至关重要的作用。风力发电控制系统经历了从最初简单的控制算法到目前先进的控制算法,无论哪种控制算法最终的目的都是使风机能够捕获最大的风能。本文在分析国内外风电技术现状的基础上,综合考虑了风电系统的特殊性和随机性,提出了鲁棒自适应的控制算法,较好地解决了单台甚至多台风机的最佳风能捕获的跟踪控制。鲁棒自适应的方法不仅可以应对存在不确定因素的单输入单输出系统,同时可以很好地解决多输入多输出系统的控制问题。本文围绕着所提出的鲁棒自适应算法进行了以下内容的工作：
1、研究了风功率曲线的理论和实测方法。在认真学习国际标准IEC中关于功率曲线测试部分的基础上,通过经验学者的指导与辅助,得到了实地测量功率曲线的数据,并将实际测量的风能利用系数与其理论值进行了误差分析,对比结果表明两者之间存在较大的差异,并通过真实功率曲线的获得,表明实测功率曲线对最佳功率点跟踪的控制研究更加具有实际意义。
2、研究了单台风机的直接转矩和直接电流控制。通过传统控制算法和单纯自适应算法的过渡,提出了能够较好地应对系统不确定性和随机性情况的鲁棒自适应算法,并结合定子磁链定向矢量控制策略将直接转矩控制过渡到直接电流控制,应用Lyapunov函数以及Matlab分别从理论和仿真中证明了本文所提的鲁棒自适应控制算法的有效性。
3、研究了针对风场整体的控制策略。在综合多种风场建模的基础上,建立了从控制角度出发的风场综合模型。并用鲁棒自适应的方法对风场进行综合控制,分别讨论了对风场中风电机组设置不同最佳状态时的跟踪控制,应用Lyapunov函数以及Matlab分别从理论和仿真中证明了本文所提的鲁棒自适应算法应对风场综合控制的有效性。
【关键词】：
【学位授予单位】：北京交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TM315【目录】：
致谢5-6中文摘要6-7ABSTRACT7-9目录9-111 引言11-21 1.1 国内外风力发电发展现状12-13
1.1.1 国内发展现状12
1.1.2 国外发展现状12-13 1.2 风力发电技术的研究现状13-20
1.2.1 风力发电机组的类型13-15
1.2.2 风力发电机组的控制技术15-18
1.2.3 风场的建模18-20 1.3 本文的主要研究内容20-212 风机功率曲线的研究21-34 2.1 风机功率曲线的重要性21 2.2 风机功率曲线的理论确定方法21-26 2.3 风机功率曲线的实际测量方法26-32
2.3.1 数据采集26-28
2.3.2 数据处理28-32 2.4 风能利用系数的误差分析32-343 基于实测功率曲线的直接转矩控制方法的研究34-51 3.1 风力发电机组的数学模型34-36
3.1.1 风轮的气动特性34-35
3.1.2 传动系统的动态特性35
3.1.3 发电机的基本模型35-36 3.2 传统控制方法36-39
3.2.1 控制器设计36-37
3.2.2 稳定性证明37
3.2.3 仿真验证37-39 3.3 自适应控制方法39-45
3.3.1 控制器设计39-40
3.3.2 稳定性证明40
3.3.3 仿真验证40-45 3.4 鲁棒自适应控制方法45-51
3.4.1 控制器设计46-47
3.4.2 稳定性证明47-48
3.4.3 仿真验证48-514 基于参数均未知的转速控制的研究51-75 4.1 双馈电机数学模型及矢量控制策略51-54
4.1.1 双馈电机数学模型51-53
4.1.2 定子磁链定向矢量控制53-54 4.2 单台风机的电流控制54-62
4.2.1 控制器设计54-56
4.2.2 稳定性证明56-57
4.2.3 仿真验证57-62 4.3 风场建模62-67
4.3.1 风力机尾流Jensen模型62-64
4.3.2 风力机尾流Lissaman模型64-65
4.3.3 风场综合模型65-67 4.4 风场的整体控制策略67-75
4.4.1 控制器设计67-69
4.4.2 稳定性证明69-71
4.4.3 仿真验证71-755 结论75-77参考文献77-81作者简历81-83学位论文数据集83
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京公网安备75号基于机头风速法的风电场理论功率计算方法
基于机头风速法的风电场理论功率计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，包括以下步骤：机头风速法的输入数据为机舱风速计的测量风速和功率的实时数据，对机头风速法的输入数据进行筛选，筛选出代表风机正常运行状态的数据；对风电场单台风机历史实测出力数据进行统计分析，并根据风电出力特性及风机理论出力拟合功率曲线，建立理论功率计算模型；根据风电场风机实时信息数据实时统计风电场实际运行风机数；确认风机实际运行情况；将运行机头风速数据输入理论功率计算模型；输出风电场理论功率实时数据，对比分析风电场实际运行结果。达到合理调节电网，优化电力输送，避免能源浪费的目的。
【专利说明】基于机头风速法的风电场理论功率计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统新能源【技术领域】，具体地，涉及一种基于机头风速法的风电 场理论功率计算方法。
【背景技术】
[年1月1日，《可再生能源法》的正式实施为风电的发展提供了新的推动力和 保障，我国的风力发电进入了大规模发展阶段，"建设大基地，接入大电网"已成为风电开发 的主要模式。截止2012年底，中国累计装机容量75324. 2MW，占全球的26. 7%，居世界首位。
[0003] 大规模风电的接入给电网调峰带来很大的压力，受调峰能力及网架结构的制约， 多个风电基地出现较大规模弃风限电的情况。目前风电入网特别是并网风电弃风限电问题 已成为各方关注的焦点。对风电场理论功率与电量进行计算，对于协调网厂矛盾、促进风电 行业的良性发展等方面具有重要意义。
[0004] 风电场理论出力是指在实际风速情况下，考虑尾流效应、故障停机、厂内用电、输 电损耗等因素的基础上所能发出的最大功率。由于大规模风电的集中并网，远距离输送、高 电压的输送要求，呈现出与国外风电发展模式显著不同的特点，由此带来的电网技术和经 济问题尤为突出，更为复杂。地处偏远的风电基地大多遭遇送出瓶颈，限电问题十分严重。 从而造成现在新能源的发展，造成能源浪费的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于机头风速法的风电场理论功率 计算方法，以实现合理调节电网，优化电力输送，避免能源浪费的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 一种基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，包括以下步骤： 步骤1 :机头风速法的输入数据为机舱风速计的测量风速和功率的实时数据，对机头 风速法的输入数据进行筛选，筛选出代表风机正常运行状态的数据； 步骤2 :对风电场单台风机历史实测出力数据进行统计分析，并根据风电出力特性及 风机理论出力拟合功率曲线，建立理论功率计算模型； 步骤3 :根据风电场风机实时信息数据实时统计风电场实际运行风机数； 步骤4 :确认风机实际运行情况； 步骤5 :将运行机头风速数据输入步骤2中的理论功率计算模型； 步骤6:输出风电场理论功率实时数据，对比分析风电场实际运行结果。
[0007] 根据本发明的优选实施例，所述步骤1对机头风速法的输入数据进行筛选具体 为： 首先对舱风速计的测量风速和功率的实时数据这两种输入数据进行筛选，删除限电、 检修造成的停机数据，以及离散数据，筛选出代表风机正常运行状态的数据。
[0008] 本发明的技术方案具有以下有益效果： 本发明的技术方案，基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，基于非限电时段的 运行数据建立模型，再应用到限电时段，计算限电时段风电场的理论功率，较好地计及风电 场在当时风速、温度、地理位置及尾流等各种客观因素。从而准确的预测风电的输出功率， 达到合理调节电网，优化电力输送，避免能源浪费的目的。
[0009] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明实施例所述的基于机头风速法的风电场理论功率计算方法流程图。
【具体实施方式】
[0011] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0012] 如图1所示，一种基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，包括以下步骤： 步骤1 :机头风速法的输入数据为机舱风速计的测量风速和功率的实时数据，对机头 风速法的输入数据进行筛选，筛选出代表风机正常运行状态的数据； 步骤2 :对风电场单台风机历史实测出力数据进行统计分析，并根据风电出力特性及 风机理论出力拟合功率曲线，建立理论功率计算模型； 步骤3 :根据风电场风机实时信息数据实时统计风电场实际运行风机数； 步骤4 :确认风机实际运行情况； 步骤5 :将运行机头风速数据输入步骤2中的理论功率计算模型； 步骤6 :输出风电场理论功率实时数据，对比分析风电场实际运行结果。
[0013] 其中，步骤1对机头风速法的输入数据进行筛选具体为：首先对舱风速计的测量 风速和功率的实时数据这两种输入数据进行筛选，删除限电、检修造成的停机数据，以及离 散数据，筛选出代表风机正常运行状态的数据。
[0014] 本技术方案为计算出比较合理的风电场理论功率，以风电场大量的单台风机历史 出力数据为基础，采用数据拟合和数理统计学的方法对其进行前期处理，通过单台风机建 立风电场理论功率拟合曲线的方式，并考虑风电场尾流效应和风机实际运行情况等客观问 题，建立风电场理论功率计算模型，具体思路如下： 1)建模数据筛选：机头风速法的输入数据为机舱风速计的测量风速和功率的实时数 据。首先要对这两种输入数据进行筛选，删除限电、检修造成的停机数据，以及其它原因造 成了离散数据，筛选出能代表风机正常运行状态的数据。
[0015] 2)拟合机头功率曲线：基于筛选后的机头风速、功率数据拟合得到每台风机的机 头功率曲线。
[0016] 3)计算单机理论功率：针对限电时段，根据机头风速计的测量风速与拟合得到的 机头功率曲线，计算每台风机的理论功率。
[0017] 4)计算风电场理论功率：针对限电时段，累加每台风机的理论功率，得到整个风电 场的理论功率。
[0018] 具体步骤如下 根据基于机头风速法的风电场理论功率计算方法的计算思路及建立的计算模型，基于 机头风速法的风电场理论功率计算步骤如下： 对机头风速法的输入数据中的机舱风速计的测量风速和功率的实时数据进行筛选，筛 选出能代表风机正常运行状态的数据； 对风电场单台风机历史实测出力数据进行统计分析，并根据风电出力特性及风机理论 出力拟合功率曲线，建立理论功率计算模型； 进行风电场风机实时信息数据实时统计风电场实际运行风机数； 确认风机实际运行情况； 将运行机头风速数据输入风电场理论功率计算模型； 输出风电场理论功率实时数据，对比分析风电场实际运行结果。
[0019] 综上所述，本发明的技术方案： 根据风电场大量的单台风机历史出力数据为基础，采用数据拟合和数理统计学的方法 对其进行前期处理，通过单台风机建立风电场理论功率拟合曲线的方式，并考虑风电场尾 流效应和风机实际运行情况等客观问题，建立风电场理论功率计算模型，该模型的建立具 有重要的实用价值。
[0020] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :机头风速法的输入数据为机舱风速计的测量风速和功率的实时数据，对机头
风速法的输入数据进行筛选，筛选出代表风机正常运行状态的数据；
步骤2 :对风电场单台风机历史实测出力数据进行统计分析，并根据风电出力特性及 风机理论出力拟合功率曲线，建立理论功率计算模型；
步骤3 :根据风电场风机实时信息数据实时统计风电场实际运行风机数；
步骤4 :确认风机实际运行情况；
步骤5 :将运行机头风速数据输入步骤2中的理论功率计算模型；
步骤6 :输出风电场理论功率实时数据，对比分析风电场实际运行结果。
2. 根据权利要求1所述的基于机头风速法的风电场理论功率计算方法，其特征在于， 所述步骤1对机头风速法的输入数据进行筛选具体为： 首先对舱风速计的测量风速和功率的实时数据这两种输入数据进行筛选，删除限电、 检修造成的停机数据，以及离散数据，筛选出代表风机正常运行状态的数据。
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