风力发电系统与控制技术
2012-8
电子工业出版社
宋永端 编
228
风电是当前开发速度最快的可再生能源，其装机容量年增长率超过30%。根据欧洲风能协会《关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，期望并预测2020年全球的风电装机容量将达到12。31亿千瓦。中国风能资源丰富，近十年来风电技术得到快速发展。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万～3000万千瓦，尤其对“可再生能源低成本规模化开发利用”和“超大规模输配电和电网安全保障”提出了迫切需求。 本书立足于风力发电系统的基本原理，着重介绍了系统控制以及面向工程应用的关键技术。主要内容包括9章： 第1章为绪论，介绍风力发电的意义、研究现状及研究内容。 第2章至第7章针对风电系统原理和控制技术展开，分别从风能转化原理、风电机组特性与系统辨识、机组典型模块与控制系统、机组最大功率跟踪及变桨控制、机组载荷分析及独立变桨控制、机组的仿生智能监测控制这六个方面进行了介绍，其中包括了风电的基本原理，也有当前最新的一些研究进展。 第8、9章简单介绍了风电机组的控制工程，从整机部件与控制系统、机组监测与运行维护两大方面展开，为风电工程的实践提供了一些参考。 附录列出了两个关于风力发电机组控制器的国家标准。 本书由宋永端主编，李鹏、张凯和刘卫参与了编写工作，并受到国家973项目（No.2012CB215202）及中央高校基本科研业务费专项金（No.2012JBM014）资助。编写过程中借鉴了风电领域同行及学者的大量学术研究思想，梁婷婷、李丹勇、范玲玲、王梦茹等也给予了帮助，在此一并致谢。 由于作者水平有限，加之书中很多章节为探索性讨论，错误及疏漏之处在所难免，请各位专家和广大读者不吝指正。 编者 2012.5.23
《风力发电系统与控制技术》围绕风力发电系统的运行机理及相关控制问题，系统介绍了风能转化原理、风电机组特性与系统辨识、机组典型模块与控制系统、机组最大功率跟踪及变桨控制、机组载荷分析及独立变桨控制、机组的仿生智能监测控制，以及风电机组控制工程——整机部件与控制系统，融汇了系统搭建、算法设计、仿真实验诸方面内容。
第1章 绪论1.1 风电技术的研究意义1.1.1 能源现状概述1.1.2 发展风电的意义1.2 风电技术的研究现状1.2.1 风电现状总览1.2.2 风电发展趋势1.3 风电技术的研究内容1.3.1 基本问题及研究内容1.3.2 风电系统的控制技术第2章 风能转化原理2.1 风能特性2.2 风能预测2.3 叶轮空气动力学基本原理2.3.1 桨叶受力分析2.3.2 风能转换过程分析2.3.3 动力学特性参数2.4 叶轮空气动力学建模理论2.4.1 叶素-动量理论2.4.2 尾流模型2.4.3 稳态失速与动态失速第3章 风电机组特性与系统辨识3.1 典型风电机组及特性3.1.1 双馈风电机组3.1.2 直驱风电机组3.1.3 双馈与直驱的比较3.1.4 半直驱机组3.2 前端调速机组3.2.1 机组结构3.2.2 齿轮调速原理3.3 风电机组辨识原理3.3.1 辨识的作用3.3.2 典型的辨识方法3.4 基于风场数据的混合辨识方法3.4.1 辨识问题描述3.4.2 基于ERA的状态估计流程3.4.3 SEI与ERA混合估计算法3.4.4 数值算例及分析第4章 机组典型模块与控制系统4.1 机组典型模块4.1.1 叶轮4.1.2 驱动链4.1.3 发电机4.1.4 变桨模块4.2 定桨距风机控制4.2.1 定桨距风机机组特性4.2.2 定桨距风机控制系统4.3 变桨距风机控制4.3.1 变桨距风机机组特性4.3.2 变桨距风机控制系统第5章 机组最大功率跟踪及变桨控制5.1 基于转矩估计的非线性MPPT控制5.1.1 最大功率跟踪方案5.1.2 最大功率跟踪控制器设计5.1.3 最大功率跟踪曲线搜索5.1.4 最大功率跟踪方案仿真验证5.2 基于虚拟参数的PPB控制5.2.1 系统描述与建模5.2.2 面向PPB的误差转换5.2.3 面向PPB的虚拟参数控制器5.3 高风速区域的线性化与PI变桨控制5.3.1 各组件非线性建模5.3.2 非线性模型的线性化5.3.3 PI变桨控制器设计及仿真验证5.4 自适应容错变桨控制5.4.1 问题描述5.4.2 鲁棒容错控制5.4.3 鲁棒自适应容错控制5.4.4 基于神经网络的鲁棒自适应容错控制5.4.5 基于自适应容错控制的机组变桨第6章 机组载荷分析及独立变桨控制6.1 风电机组载荷6.1.1 机组载荷的标准6.1.2 机组载荷的分类6.1.3 极限载荷与疲劳载荷6.2 基于Bladed的载荷分析6.2.1 Bladed软件概述6.2.2 Bladed模块建模6.2.3 Bladed载荷模拟计算6.3 面向减载控制的独立变桨6.3.1 独立变桨距机构的建模6.3.2 鲁棒自适应独立变桨控制器设计6.3.3 改进的鲁棒自适应独立变桨控制器第7章 机组的仿生智能监测控制7.1 基于神经网络的独立变桨及最大功率跟踪7.1.1 基于神经网络的独立变桨控制7.1.2 基于神经网络的最大功率跟踪7.2 基于记忆的机组控制方法7.2.1 机组动力学建模7.2.2 基于记忆的控制器设计7.3 基于仿记忆的机组监测方法7.3.1 风机故障统计分析7.3.2 故障严重度分类及基本策略7.3.3 故障估计与仿记忆原理7.3.4 仿记忆监测控制结构第8章 风电机组控制工程——整机部件与控制系统8.1 风电整机系统部件8.1.1 风轮与塔架8.1.2 变桨系统8.1.3 偏航系统8.1.4 齿轮箱8.1.5 传动链8.1.6 电控系统8.1.7 测量信号传感器8.1.8 防雷系统8.1.9 液压单元8.1.10 保护配置8.1.11 测风仪及航空标志灯8.2 机组控制系统8.2.1 控制系统构成8.2.2 PLC主控制系统8.2.3 传感器与通信接口8.2.4 控制系统卡件设计8.2.5 安全性与设备环境第9章 风电机组控制工程——机组监测与运行维护9.1 风机状态监控系统9.2 风电机组运行维护9.2.1 基础与塔架维护9.2.2 叶片维护9.2.3 主轴与主齿轮维护9.2.4 偏航系统维护9.2.5 变桨系统维护9.2.6 液压制动系统维护9.2.7 发电机维护9.2.8 对腐蚀、磨损、裂纹的检查及补救9.2.9 人身安全指导附录：风力发电机组控制器国家标准第一部分：风力发电机组 控制器 技术条件（GB/T 19069-2003）第二部分：风力发电机组 控制器 试验方法（GB/T 19070-2003）参考文献
6.1.2 机组载荷的分类 按照载荷的来源不同，分为以下类型。（1）空气动力载荷：是载荷和功率产生的主要来源。在结构设计尤其高风速条件下，气动阻力是主要考虑因素；叶轮旋转时，升力是主要考虑因素。（2）重力载荷：主要由于机舱、风轮及塔架重力产生的，对于机组设计和安装至关重要的载荷。（3）惯性载荷：主要源自机组部件运动尤其是叶轮旋转所产生的离心力，以及叶轮旋转时偏航所产生的回转力。（4）运行载荷：风机运行时的变桨、偏航、刹车、脱网等动作引起的机组结构和部件上的载荷变化。此外，还需考虑叶片质量不平衡等因素。对于海上风电，还有波浪载荷、海冰载荷、船舶冲击载荷等特殊因素。按照载荷的性质不同，分为以下类型。（1）静态载荷：施加在静止结构上，不随时间变化的负载。（2）定常载荷：施加在运动结构上，不随时间变化的负载，如施加在稳态旋转风力发电机叶片上的定常载荷。（3）瞬态载荷：对瞬态外界环境进行相应的时变载荷，呈现出振荡并最终衰减，如驱动链刹车。（4）脉冲载荷：短时间内出现较大尖峰值的载荷，如下风向叶片塔影效应和叶片铰链机构减振器的受力都体现为脉冲载荷。（5）周期载荷：呈周期规律变化的载荷，主要适用于叶片旋转引起的载荷，且与叶片质量、风切变、偏航运动、风机整体结构振动及其部件振动有关。其变化周期与叶轮转速变化呈整数倍关系。（6）随机载荷：具有明显随机特性的时变负载，平均值可能相对稳定但振幅较大，如叶片在湍流下的受力。（7）谐振载荷：来自于风机部件自然频率动态谐振响应的周期负载，一般是由于非常恶劣的运行条件或设计不合理引起的风机谐振动态响应。6.1.3极限载荷与疲劳载荷 随着风机容量和规模的逐渐扩大，风机的寿命和可靠性日益成为关注热点，从这个角度，风机的载荷又可分为极限载荷和疲劳载荷两类。下面分别对这两类载荷做简要叙述。1.疲劳载荷 叶轮只要发生旋转，就会产生与低速轴和叶片重力相反的力，同时还存在由湍流、风剪切力、轴倾斜、塔影效应、偏航误差等引起的叶轮平面外载荷。因此，疲劳载荷是影响机组部件的寿命的核心因素。对于一个特定的风机组件，其疲劳载荷分析常通过其疲劳载荷综合谱来描述。该综合谱的建立要基于风速变化情况下机组的独立载荷范围，同时考虑机组机器启动、空转、运行、停机等不同时段的载荷循环周期，从而据此进行寿命周期预测。
《风力发电系统与控制技术》既讲述了风电系统的相关基础理论，也介绍了风电控制工程中的主要运行和维护技术，适合从事风力发电、电力系统控制等领域的科研人员及工程师使用。
