风力发电机组建模研究现状

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
614
太 阳 能 学 报 25卷
确定的模型来描述 。风力机的不确定性因素主要来 自以下几个方面 : 传感器和执行机构中的测量噪 声 、调节机构的动态特性 、非线性元件以及系统未 知的起始条件 。为了考虑风力发电系统中的不确定 性部分 , 郑黎明 [8 ] 等将不确定性部分归为一类 , 建 立其整体的传递函数 , 通过对控制器的设计来详细 地分析机组的不确定性部分 。 由于风力发电系统的复杂性 , 建立的机理与实 际有一定的偏差 。Bongers[9 ] 等开始利用实验数据 , 通过系统辨识的方法来得到风力机的模型 。图 3 为 荷兰得伏特技术大学机械工程与控制教研组设计的 UNIWEX 风力机实验系统 。
的 Box ν Jenkins 模型 ; 包能胜 [15 ] 等将桨距角作为系 统的可控输入 , 风速作为系统的噪声扰动 , 建立了 系统的 ARMAX 模型结构 。对由测试法建立的模型 的参数辨识经常采用的方法 [16 ] 有最小二乘算法 、 预报误差算法以及自适应学习速率的 BP 算法等其 它算法 。 采用机理式方法建模时 , 建立的模型可以反映 系统的动态过程的物理本质 , 有助于对所研究的对 象的深入理解 , 但是由于风力机系统的复杂性 , 建 立精确的机理模型是很困难的 。而由测试法建立的 模型 , 风力机的功能模型比机理模型更能精确地描 述系统的动态特性 , 并且建模的过程简单 , 更容易 应用于自适应控制系统以及其他的随机控制系统 。 但是建立后的模型用数学公式掩盖了物理本质 , 模 型的参数没有明确的物理意义 。随着现代系统辨识 理论的发展 , 出现了 “灰箱”建模方法 ( 即是将机 理式建模方法与测试法建模的方法结合起来 ) , 此 方法被证明是一种很好的建模方法 。 包能胜 [17 ] 等结合机理模型结构 , 得到具有机 理模型结构的辨识参数模型 , 使辨识得到的模型参 数具有明确的物理意义 。 Jiang[18 ] 和 Baars[19 ] 也采用 预报误差法对 UNIWEX 型风力机进行了混合法建 模。 21112 与常规能源发电联合运行的风力发电系统 将风力发电与其它常规能源联合起来运行有多 种方式 : 风柴 、风水 、风光 、风火以及风力 — 蓄电 池联合发电系统 。其中风力 — 柴油机联合发电系统 是最早采用的发电系统 , 风力与柴油机联合供电的 结构形式也是多种多样的 , 图 4 为基本的无蓄能形 式的风力 — 柴油机联合发电的系统框图 。
图2 风力发电机组的结构框图
Fig12 Block diagram of wind energy conversion system
图1 风力发电机组的机械组成
Fig11 Mechanical parts of wind energy conversion system
Steinbuch [6 ] 从风力机的结构入手 , 对各环节的
第 25 卷 第5期
2004 年 10 月
太 阳 能 学 报 Vol125 , No15
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Oct1 , 2004
文章编号 : 025420096 (2004) 0520612208
风力发电机组建模研究现状
对风力发电机组的建模最早可以追溯到 1977 年 Hoffman 为美国宇航局设计的 MOSTAS 模型 [3 ] , 之后一系列的为提高对风力机认识水平的模型相继 建立 , 主要表现为建立风力发电机组的机械特性的 模型 。对风力机进行机械特性建模时 , 主要是考虑 力的平衡关系 , 任意复杂的风力机系统都可以采用 以下的运动方程式来表示 : ) ( 1) [ M ]¨ x + [ C ] x + [ K] x = F ( t , x , ¨ x,… 其 中 , [M] — — — 系统的转动惯量矩阵 ; [ C] — — — 系统的阻尼系数矩阵 ; [ K] — — — 传动系 统的刚度阵矩 ; F — — — 合力 ( 驱动力) 向量矩阵 , 以 上的矩阵都是时变的 。建立以上系统运动方程所采 用的方法主要有模态分析法和有限叶素理论法 。模 态分析法能够减少对风力发电机组建模后的自由 度 , 因此得到了广泛的应用 ; 但是随着计算机的发 展 , 数字处理的能力大大加强 , 有限叶素理论也受 到了人们广泛的重视 [4 ] 。
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
5 期 董 萍等 : 风力发电机组建模研究现状
613
态模型两大类 , 静态模型的适用范围相对狭窄 , 而 动态模型则是要反映风力发电机组随风速 、风向 、 电网电压等外界物理量的变化而变化的整个过程 , 本文主要介绍风力发电机组的动态模型 。
Stavrakakis[20 ] 采用机理分析法建立了风 — 柴联
图3 UNIWEX 实验风力机框图
Fig13 Experiment block of U门开度 X v 调 节其扭矩 M g 与转矩 ωg 之间的特性使之模拟柔性 风力机的特性 。并且对风力机系统经一定的合理假 设 , 由风力机的非线性模型方程入手 , 将其在某一 工况点附近线性化 , 得出系统的状态方程 。 Bongers 采用系统辨识方法取得了较好的结果 , 但是对系统辨识方法的尝试并不仅限于此 。由于实 验测试法建模分为两类 : 一是被建模系统的某些特 征可用系统的可测输出与输入间的关系来描述 , 即 为系统辨识方法 ( System Identification) , 另一是被建 模系统的输出可测 , 但是其输入却难以定义或难以 测量 , 即 为 随 机 建 模 或 者 时 间 序 列 建 模 方 法 ( Stochastic Modeling) , 此模型处理大数现象 , 它所 反映的实体对象具有随机性或必然性 , 反映的是机 遇律 [10 ] 。且基于时间序列法建立的模型主要有以 下几种 [11 ] : 自回归 ( AR) 模型 、滑动平均 ( MA ) 模 型 、自回归滑动平均 ( ARMA) 模型以及 Box ν Jenkins 模型 , 由于风力机系统的复杂性 , 针对不同的输入 可以对系统采用不同的建模方法 。 采用系统辨识法为风力发电系统进行建模时 , 一般是以风力机的桨距角 β 为输入的模型 。例如 变桨距型风力机 , 此时桨距角是可控的 。金增 [12 ] 等应用人工神经网络的建模方法 , 根据神经网络对
机理模型进行单独分析 , 然后综合起来 , 得到风力 机整机的机理模型 。采用机理法对独立运行的风力 发电机组进行建模时 , 主要考虑的是力矩平衡关 系 , 可以化为以下的矢量表达式 :
x = [ A ] x + f ( x , u) + [ B ] u y = g ( x , u) ( 2) ( 3)
董 萍, 吴 捷 , 杨金明 , 陈渊睿
( 华南理工大学电力学院 ,广州 510460)
摘 要 : 风力发电系统的建模是对风力机系统进行控制和优化的基础 。该文讨论了风力发电系统建模的思想 , 对 在国内外的风力发电机组建模中已经采用的模型 、方法及其应用的优缺点进行了综合分析 , 并在分析的基础上 , 介绍了模型的简化方法和线性化方法 , 结合学科发展的趋势 , 提出了以后的发展目标 , 这对有关风力发电机组的 建模和控制方面有一定的借鉴意义 。 关键词 : 建模 ; 风力发电机组 ; 模型的简化与线性化 中图分类号 : TK83 文献标识码 : A
1 基本概念
从能量转换的角度来看 , 风力发电机组由两大 部分组成 : ① 风力机 , 将风能转化为机械能 ; ② 发 电机 , 将机械能转化为电能 。风力机的类型和式样 很多 , 从风轮的结构及其在气流中的位置可以将风 力机分为两种类型 : 水平轴风力机和垂直轴风力 机 。水平轴风力机是被实践证明的最有效的风能的 转化装置 [2 ] , 目前已占全部风力发电装置的绝大部 分 , 在世界各地得到了广泛的应用 。因此本文采用 水平轴的风力机为例说明其建模的现状 。 从建模的定义来看 , 建模是构造一个真实系统 的模型 , 在模型的基础上进行实验 , 从而对系统进 行分析和研究 。它不是简单的模型建立的活动 , 还 与人类的目的相关 。建模的目的一般有两个 , 即为 提高对研究对象的认识水平和干预能力 ( 控制能 力) , 因此模型结构的选择与所研究的问题密切相 关。 对风力发电机组建立的模型包含动态模型和静
其中 , [ A ] , [ B ] — — — 包含系统的线性项的矩 阵 ; f ( x , u) 为包含系统非线性的矢量 。 y 为系统 的输出 , 且其是 x , u 的函数 ; 以上的矩阵是时变 的。 肖劲松 [7 ] 分析了变桨距型和大型失速型风力机 的结构特点 , 采用力矩平衡关系 , 建立了风力发电 机组在标称状态下的数学模型 , 但是忽略了机组的 不确定性部分 , 将其放入到系统的控制器中考虑 。 在建立风力机的确定性部分模型的时候 , 忽略 了某些我们认为是相对次要的因素 。这种忽略有时 是使得建立的模型便于控制 , 有时则是因为对系统 的某方面的动态行为不够了解 。被忽略的因素以不
2 风力发电机组建模的研究现状
风力发电机组由一系列的相互耦合的元件构 成 , 其中主要包括风轮 、传动机构 、偏航系统 、发 电机 、控制设备以及塔架等 , 如图 1 。
目前对建立风轮气动 — 弹性模型方面已经做出 [5 ] 了大量的工作 , Grol 对其研究的现状做出了总 结 , 因此今后在这方面应尽量减少建模时的额外工 作 。对于其他类型的动态模型 , 一般为要研究的控 制模型 , 根据结构和功能来对其进行建模 , 将是本 文以下讨论的重点 。 211 脱网型风力发电机组的模型 风力发电得到广泛应用的原因之一可用于无电 网地方 , 为边远的农村以及海岛居民提供生活和生 产所需的电力 。脱网型风力发电系统的主要运行方 式有两种 : 独立运行 、与其它发电装置互补运行 。 21111 独立运行的风力发电系统 为了研究脱网型风力发动机的特性 , 最早采用 的建模方法是机理分析法 。机理分析法的主要原理 是从系统内部的物理本质入手 , 通过选择适当的物 理模型结构来模拟系统的特性 。图 2 为建立独立运 行的风力机的模型所采用的结构框图 。
0 前 言
新能源发电技术在世界范围内有了长足的进 步 , 尤其是风力发电 , 在技术上和经济上都已经具 有同燃煤 、核电等发电技术相竞争的能力 [1 ] 。百 、 千瓦级及兆瓦级风力机的普及 , 要求人们加深对风 机动态性能的了解程度 , 以及设计出精确性更高的 控制器 。由于系统的模型是对系统进行性能分析以 及控制器设计的前提条件 , 建立精确的风机模型成 为众多研究工作者关注的焦点 。 风力发电机组是一个复杂的非线性系统 , 想要 建立其精确的动态模型是非常不容易的 。考虑的因 素越多 , 系统的阶次越高 , 并且各种被详细考虑因 素的动态响应相差很大 , 会导致风力发电机组成为 一个病态的系统 。这些 , 都对控制器的设计不利 , 它使控制器十分复杂 , 对参数也十分敏感 。如何建 立一个最优的风力发电机组的模型 , 对高阶的 、非 线性的 、病态的模型如何简化 , 是我们风力发电机 组建模要重要考虑的问题 。 本文对具体的建模原理进行阐述 , 从风力机建 模主要考虑的几个问题出发 , 对国内外风力发电机 组的建模模式分类 , 并从建模的角度来考虑风力发 电机组的模型的结构特点 。对各种类型的风力机组
非线性映射的任意近似能力 , 采用多感知器的模型 结构 , 建立了风力机的参数模型 。Bongers[13 ] 等则 从实验的数据中建立了预报误差模型 。 采用时间序列法进行建模时 , 经常是将风速作 为系 统 的 噪 声 输 入 , 此 时 风 速 是 不 可 控 的 。
Baars[14 ] 讨论了在 SISO 情况下 , 建立了风力机系统
收稿日期 : 2003203219 基金项目 : 广东省 “十五”科技重大专项 (A1050401) ; 广东省自然科学基金 (020906) ; 广东省自然科学基金研究团队项目 (003049) ; 华南理工大学自然科学基金 ( E5323288)
的建模方法和形式进行阐述 , 并对建立后的各种模 型的优缺点进行比较分析 , 介绍了目前的研究现状 和研究水平 , 结合学科发展的趋势 , 提出了以后的 发展目标 。
北京航空学院出版1985111谭跃进1系统工程原理m国防科技大学1978112风力机系统的神经网络模型辨识j太阳能学报192206211113gregore1vanbarrssjoerddijk2stra1loadreductionwindenergyconversionsystemus2ingsecondieeeconferencecon2trolapplicationssep11316965970114gregorvanbaarsbongers1flexiblewindturbinemodelvalidation1windengineering247256115柔性风力机系统模型参数辨识j太阳能学报184390394116韩文光等1辨识与参数估计m国防工业出版社1980117baojiangt1modelingwindturbinesystemwindengineering203218118jiangwindenergyconversionsystemieeetransactionpowersystems1997tc3911tc3913119gregore1vanbaarsbongers1windturbinecontroldesignimplementationbasedexperimentalmodelsieeeproceedings31stconferencedec11992120stavrakakisgskariniotaksgngeneralsimulationalgorithmforaccurateassessmentisolateddiselwindturbinessystemsinteractionieeetransactionsenergyconversion21malatestasidenti2ficationdieselwindturbinesystemwindpenetrationassessmentieeetransactionpowersystems10911097122风力发电系统简单建模及稳定性分析j新疆大学学报20016064123风力发电机的建模及动态仿真j新疆大学学报213208212124hilloowalavariablespeedconstantfrequencywindener2gyconversionschemeusingselfexcitedinduction