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        基于風(fēng)場(chǎng)AGC調(diào)度控制的三區(qū)域控制法

        2014-12-14 07:54:34李振華曹積欣董玲玲
        電氣自動(dòng)化 2014年1期
        關(guān)鍵詞:距角雙饋風(fēng)場(chǎng)

        李振華,曹積欣,董玲玲

        (山東華能萊州風(fēng)力發(fā)電有限公司,山東 264000)

        0 引言

        為提高風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)和管理水平、優(yōu)化風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行,為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為輔助手段的各類電源協(xié)調(diào)運(yùn)行、提高調(diào)度能力的具體目標(biāo),電力調(diào)度機(jī)構(gòu)要按照有關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,加強(qiáng)風(fēng)電調(diào)度管理,在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電等可再生能源的優(yōu)先調(diào)度和全額收購(gòu)目標(biāo)要求。

        因此風(fēng)電場(chǎng)必須具備低電壓穿越技術(shù),風(fēng)場(chǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)在線負(fù)荷控制技術(shù),風(fēng)電場(chǎng)在線負(fù)荷控制技術(shù)主要控制的是完成電力調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)場(chǎng)下發(fā)的負(fù)荷目標(biāo)進(jìn)行有效的目標(biāo)跟蹤控制,將負(fù)荷控制穩(wěn)態(tài)、無差地運(yùn)行在目標(biāo)狀態(tài)之中,即風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)稱的AGC調(diào)度運(yùn)行控制。

        1 三區(qū)域控制法

        對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)在線負(fù)荷控制技術(shù),可以認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制,控制的準(zhǔn)則是指滿足 JITAE為最小的控制方式,可采用表達(dá)函數(shù)為:

        其中e(t)為控制和目標(biāo)的偏差,τs為過渡時(shí)間[1]。

        由于風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速具有隨機(jī)性,風(fēng)速的變化相對(duì)規(guī)律比較難于預(yù)計(jì),同時(shí)短期風(fēng)速的變化不會(huì)太大,因此系統(tǒng)的誤差過渡跟蹤時(shí)間是可以根據(jù)風(fēng)速的變化趨勢(shì)范圍加以定性控制的,不同的風(fēng)速范圍變化決定不同的系統(tǒng)過渡控制時(shí)間常數(shù),通過優(yōu)化修正控制確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,具體的系統(tǒng)控制如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

        2 控制策略

        2.1 經(jīng)典PID區(qū)域控制

        對(duì)于目標(biāo)給定功率和實(shí)際功率值之間采用經(jīng)典PID控制,經(jīng)典PID著重于系統(tǒng)輸出量,根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的誤差量(P),誤差累計(jì)量(I)以及誤差的變化速率(D)來調(diào)整輸入量[2]。

        經(jīng)典PID的傳遞函數(shù)采用:

        其中Kp代表比例增益,Tn為積分時(shí)間常數(shù),Tv及Td代表微分時(shí)間常數(shù)。

        通過PID可以得到給定值和實(shí)際功率之間的目標(biāo)調(diào)整趨勢(shì),但是由于直接使用卻無法描述風(fēng)速擾動(dòng)誤差對(duì)于趨勢(shì)的影響,無法判斷風(fēng)機(jī)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行擾動(dòng)誤差對(duì)于趨勢(shì)的影響。

        2.2 優(yōu)化區(qū)域控制

        對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的AGC控制目標(biāo)是整體場(chǎng)功率的控制,整體功率取決于在風(fēng)場(chǎng)中各個(gè)單體機(jī)組的發(fā)電功率累加和,由于單體機(jī)組所處的地理位置不同,所得到的風(fēng)速和發(fā)電功率也各有偏差,對(duì)于單體機(jī)組的運(yùn)行階段大致分為:機(jī)組準(zhǔn)備階段、機(jī)組并網(wǎng)階段、發(fā)電階段、停止發(fā)電階段,其中只有發(fā)電階段機(jī)組對(duì)外輸出有功功率,其余階段均不輸出。機(jī)組準(zhǔn)備階段、機(jī)組并網(wǎng)階段代表機(jī)組在正常運(yùn)行模式,停止發(fā)電階段代表機(jī)組存在故障保護(hù)停機(jī)。

        因此總結(jié)風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)誤差包含:

        (1)風(fēng)速的擾動(dòng),包含平均場(chǎng)風(fēng)速擾動(dòng)和機(jī)組風(fēng)速擾動(dòng)

        (2)機(jī)組的運(yùn)行模式對(duì)于功率的擾動(dòng)

        (3)采集數(shù)據(jù)的延時(shí)及通訊故障對(duì)于功率的擾動(dòng)

        為克服擾動(dòng)量對(duì)于功率輸出趨勢(shì)的誤差,需對(duì)控制模型加入對(duì)于擾動(dòng)量的優(yōu)化控制,確定擾動(dòng)量的動(dòng)態(tài)過渡時(shí)間和擾動(dòng)幅度趨勢(shì),可以依據(jù)最優(yōu)控制方式得到擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間和趨勢(shì),可遵循以下函數(shù):

        其中ω的頻率系數(shù)設(shè)定可通過風(fēng)速變化趨勢(shì)模型得到不同的系數(shù)比例值,β1和β2的系數(shù)取定于機(jī)組的運(yùn)行模式和通訊模式聯(lián)合判斷函數(shù)。

        通過優(yōu)化控制區(qū)域,我們可以對(duì)功率輸出趨勢(shì)進(jìn)行有效的誤差修正,保證趨勢(shì)的變化是在可控制的范圍內(nèi),所有誤差的擾動(dòng)將被取消。

        2.3 機(jī)組輸出區(qū)域控制

        對(duì)于整體的功率輸出趨勢(shì)并不代表單臺(tái)機(jī)組的功率控制目標(biāo),由于機(jī)組的地理位置、運(yùn)行模式、機(jī)械特性等不同,需對(duì)機(jī)組進(jìn)行有效的功率控制目標(biāo)分配。

        目前變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到了很大的重視,它能根據(jù)外界風(fēng)速的變化而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以達(dá)到捕獲最大風(fēng)能或?qū)崿F(xiàn)輸出穩(wěn)定功率的目的[4],雙饋的變槳機(jī)組是目前使用最廣泛的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

        對(duì)于通過變槳模式在維持機(jī)組發(fā)電功率的平衡[5],通過一個(gè)非線性化風(fēng)機(jī)模型和一個(gè)槳距角控制器得到實(shí)現(xiàn),因此可以得到雙饋的變槳機(jī)組基礎(chǔ)控制模式可以完整建立功率平衡控制。

        對(duì)于雙饋的變槳機(jī)組,其風(fēng)能捕獲功率、槳距角和發(fā)電機(jī)發(fā)電功率描述可遵循以下函數(shù):

        (1)捕獲的風(fēng)能功率

        P0為捕獲的風(fēng)能功率,ρ空氣密度,A為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積,V為風(fēng)速,Cp(λ)為Cp-λ曲線的取值。

        λ為系統(tǒng)的葉尖速比,其函數(shù):

        V為風(fēng)速,R為為葉輪直徑。

        葉輪葉尖速和Cp和槳距角的曲線關(guān)系如下圖2所示,圖中只描述槳距角0-10°的曲線。

        圖2所示,X軸為λ,λ為無量綱數(shù)值,Y軸為Cp,Cp為無量綱數(shù)值。槳距角度對(duì)應(yīng)的曲線標(biāo)志在圖上,從此得到結(jié)論是,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的能力不僅受其機(jī)械特性有關(guān),還與所采用的控制策略有關(guān)[5]。在任何風(fēng)速情況下,可以通過控制槳距角變化在保證捕獲的風(fēng)能功率恒定,其最優(yōu)狀態(tài)是目標(biāo)風(fēng)速和槳距角0°重合,大于目標(biāo)風(fēng)速槳距角通過變大趨勢(shì),通過新的λ和對(duì)應(yīng)角度曲線Cp,通過Cp的變化來保證捕獲的風(fēng)能功率恒定。

        圖2 Cp-λ曲線

        (2)對(duì)于固定的雙饋機(jī)組,發(fā)電機(jī)功率曲線是固定的,圖3所示為實(shí)際機(jī)組的發(fā)電機(jī)功率曲線

        圖3 發(fā)電機(jī)速度功率曲線

        圖3 中X軸為發(fā)電機(jī)功率(kW),Y軸為速度(r/min),從曲線中可以知道每一點(diǎn)的發(fā)電機(jī)速度只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率,雙饋機(jī)組葉輪和發(fā)電機(jī)直接通過一個(gè)增速齒輪箱剛性連接,因此可以得到每一點(diǎn)的葉輪速度對(duì)應(yīng)一點(diǎn)發(fā)電功率。

        (3)對(duì)于固定的雙饋機(jī)組的風(fēng)速功率曲線是固定的,圖4所示為實(shí)際機(jī)組的風(fēng)速功率曲線

        圖4 中X軸為風(fēng)速(m/s),Y軸為風(fēng)功率(kW),從曲線中可知每一點(diǎn)的發(fā)電機(jī)速度只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率,雙饋機(jī)組葉輪和發(fā)電機(jī)直接通過一個(gè)增速齒輪箱剛性連接,因此可以得到每一點(diǎn)的葉輪速度對(duì)應(yīng)一點(diǎn)發(fā)電功率。

        綜合上述,對(duì)應(yīng)一個(gè)投入運(yùn)行的雙饋機(jī)組,每一點(diǎn)的風(fēng)速對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的葉輪速度,固定的發(fā)電功率;在對(duì)應(yīng)風(fēng)速度點(diǎn)上可以通過設(shè)定不同的葉輪速度,通過變槳控制將速度和功率恒定在一個(gè)固定區(qū)域內(nèi),最大的速度調(diào)節(jié)范圍不能超過此點(diǎn)的風(fēng)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率,最小的功率范圍可以是系統(tǒng)有效的最小發(fā)電功率所對(duì)應(yīng)的葉輪速度,因此可確定的機(jī)組AGC調(diào)整控制范圍為:

        Pout為輸出功率,Pwind此風(fēng)速點(diǎn)的額定功率,Pmin為系統(tǒng)最小額定發(fā)電功率。

        由于機(jī)組存在一定的振動(dòng)狀態(tài)[6],對(duì)機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量分析,此系統(tǒng)必須具備振動(dòng)穿越控制保護(hù),一般而言系統(tǒng)的振動(dòng)區(qū)域在一個(gè)固定范圍,系統(tǒng)必須具備在AGC模式下穿越振動(dòng)的功能。

        3 實(shí)現(xiàn)方式

        在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)采用上述控制策略方式時(shí),通過C++作為實(shí)現(xiàn)控制方式的軟件體系及通訊采集的協(xié)議轉(zhuǎn)換體系,服務(wù)器和通訊接收器組成的硬件體系,以39臺(tái)雙饋機(jī)組的風(fēng)場(chǎng)為目標(biāo),建立一個(gè)AGC控制調(diào)整平臺(tái),通過實(shí)際的參數(shù)調(diào)整和控制修正,得到滿意的運(yùn)行結(jié)果,基本AGC的控制調(diào)整精度在2%,達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        三區(qū)域控制模式可以有效地運(yùn)用于風(fēng)場(chǎng)的AGC控制運(yùn)行,由于風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)況變化和風(fēng)場(chǎng)所處于的類型不同,產(chǎn)生的風(fēng)速擾動(dòng)變量趨勢(shì)會(huì)有較大的不同,因此對(duì)優(yōu)化控制的參數(shù)設(shè)定需和實(shí)際風(fēng)場(chǎng)相匹配,同時(shí)由于不同廠商機(jī)組的通訊模式和通訊效率各不相同,因此對(duì)三區(qū)域控制模式有效的控制循環(huán)周期需根據(jù)機(jī)組做相應(yīng)的調(diào)整。總體上分析,采用三區(qū)域控制模式建立獨(dú)立的AGC控制,具有相對(duì)控制穩(wěn)定,硬件投入量不大的特點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。

        [1]項(xiàng)國(guó)波.ITAE最佳控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

        [2]楊敏軍,鄭勝,馬飛林.混流式水輪機(jī)組的模糊滑??刂芠J].電氣自動(dòng)化,2013,35(3):6 -8.

        [3]謝軍,黃禹,龔時(shí)華,等.帶階躍擾動(dòng)的無靜差控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化,2013,35(2):1 -3.

        [4]何真,龔春英 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全局快速Terminal滑??刂芠J].電氣自動(dòng)化,2013,35(3):51 -53.

        [5]耿華,楊耕變速變槳風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(25):267 -270.

        [6]姚興佳,劉穎明,劉光德 .大型風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)分析和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J],沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6):627-632.

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