关键词： 虚拟惯性控制   大容量交直流系统   风力发电   一次调频   二次调频  

摘要： 电力系统新能源渗透率逐年增加,大容量直流外送型电网集中消纳新能源盈余功率,为区域电网之间功率紧急支援提供了保障。但随着高比例电力电子设备投入运行,系统等效惯量大幅降低,频率鲁棒性受到严重威胁。为此,将虚拟同步技术应用于新能源及直流等电力电子设备,有效提高系统等效惯量,有助于系统频率动态稳定。本文基于西北地区风火打捆直流外送型电网、东北地区大容量交直流混联电网,建立等效模型,研究高渗透率新能源下直流-火电-风电联合频率调节策略。具体研究内容如下:首先,针对西北电网风电渗透率较高、整体惯性低等特点提出风-火联调控制策略。建立火电机组模型、高压直流输电模型、静态无功补偿模型、双馈风机虚拟惯性控制模型。提出虚拟惯性回路调节系数、下垂回路调节系数及表征网架节点相对短路容量的权重系数;定义虚拟惯性调节程度,计算风机虚拟惯性控制在不同时间尺度下所提供的电磁补偿功率,协调火电机组参与一次调频。其次,针对东北电网风电渗透率较低、大容量直流外送等特点提出直-火联调控制策略。以东北地区实际网架结构为基础搭建交直流混联系统等效模型,设计高压直流系统频率辅助控制系统。提出直流辅助调频控制器参数修正方法;研究控制器参数变化对系统频率稳定性影响;定义直流控制器调频参与度,量化高压直流系统附加触发角。再次,针对风电系统牺牲转子动能参与一次调频后的动能恢复过程,制定频率稳态下的风场二次调频方法。提出虚拟惯性控制系统延时开关函数,结合权重系数使风电场在系统频率恢复稳态时分层、分级退出虚拟惯性控制;提出比例缩放系数,解决转子动能恢复过程中控制系统q轴分量突变问题。最后,以两种特色型电网结构作为研究背景,制定大容量直流外送型电网直-火-风联调控制策略。建立火电机组、风电机组、直流系统三者相互协调的功率动态调节体系;分析多种工况对调频系统频率稳定性的影响。本文所提出的调频控制方法能够有效提高系统等效惯量及动态频率调节能力,使得风电机组、直流输电系统调频过程具备时空分布特性,转子动能恢复时间缩短至3 s以内,为后续多能源并网柔性交直流混联系统的频率优化策略奠定了理论基础。

关键词： 风力发电   远程故障管控   管理平台   预警平台  

摘要： 目前,水能、太阳能、风能是世界上三大可再生能源,利用风能进行风力发电是世界上大部分国家的一种能源战略选择。在风电产业当中,其最为重要的就是风力发电的技术装备和产业基础。我国在2000年之前就开始重视风电技术的应用,近20多年来持续加大对风电技术和装备研发和投入,并取得了较大的成绩。随着我国出台专门的风力发电扶持政策和引导措施之后,一批又一批代表当前国际先进技术水平的风力发电设备和制造企业脱颖而出。除我国以外,世界上很多国家都采取了非常高效的激励措施来推动本国风力发电技术装备行业的进步。截止2020年底,我国并网风力发电装机容量达2.815亿千瓦,跃居世界第一。本文以风力发电站远程故障管控系统为应用基础,分析风力发电站远程故障管控的背景和意义,明确国内外研究现状,确定风力发电站远程故障管控系统研究的内容和方向,明确整体论文的结构;从用户角色、管理功能需要、安全性、数据流等方面分析风力发电站远程故障管控系统建设需求,详细分析管理系统的主要功能。针对机组导航、机组故障管理、机组服务管理、机组知识库和统计报表功能等方面,详细分析风力发电站远程故障管控系统的各个业务流程。运用软件工程技术实现风力发电站远程故障管控系统设计,主要包含系统架构、系统网络、安全保障、接口以及功能模块的讨论和详细设计;分析系统内部数据贯通,采用JAVA+SQL Server 2020实现系统的数据库开发,通过节点驱动控制流程,展示数据的挖掘和集成性功能;以流程为核心,对系统各模块功能的实现和完成情况进行详细的介绍;通过搭建和部署风力发电站远程故障管控系统,从功能和性能两个角度开展测试,满足风力发电站远程故障管控系统的基本使用需求,同时完成对风力发电站远程故障管控系统功能模块的设计与实现,并对系统进行测试,解决系统中出现的问题。利用风力发电站远程故障管控系统,可以提高风力发电站远程故障管控的水平,帮助风电企业实现智能化的远程管控,同时提高风电企业对风力发展设备远程监控和运维检修的管理水平。深入挖掘电力大数据应用场景和价值,为风力发电电网更安全运行、更精益管理、更精准投资、更优质服务开辟一条新的路线。

关键词： 风力发电   光伏发电   云储能   微电网   可再生能源   协调优化   模糊遗传算法  

摘要： 由于传统电力相关设备的使用过度消耗化石能源,造成了地球自然环境污染等问题。能源互联网将各地分布式能源、储能设备、各类型负荷连接起来,并运用先进的电力相关技术将其组建成新型电力网络,从能源利用、负荷调度等方面降低对环境的影响。其中,微电网可充分利用可再生能源,从加大分布式能源的渗透率的角度出发,减少因发电需求的化石能源的使用。在能源互联网环境下,云储能可以选择整合各地分散的储能资源,亦可选择建设大规模集中储能,且云储能可作用于微网调度优化。 本文提出将云储能与微电网结合,并对其研究了能源协同优化等问题,首先说明课题研究的意义及背景,从能源互联网、微电网调度优化、云储能系统、多层优化技术、需求响应几个角度,分别阐述了其研究现状,目前微电网与云储能系统结合后,关于能量协调研究尚且不足。 为研究系统的协调优化,接下来说明了风电、光伏发电的工作特性和发电原理,以及用户的用电特性,对目标函数、优化策略的研究做准备,由分布式能源的出力间歇性和不确定性的特点,引入能源协调优化策略。考虑云储能的微电网的能源协调优化模型建立后,本文分别从系统层面和用户层面提出优化策略: 其一,从微网云储能系统层面,综合考虑成本、环境效益、分布式电源利用率等问题,对调度优化策略问题提出双层能量优化策略的模式,并对该优化模式加以详细说明,同时分析模糊遗传算法,并通过模糊遗传算法对优化方案进行仿真测试; 其二,从调整用户用电行为的角度对调度优化进行考虑,综合考虑用户用电行为调整对可再生能源利用率、成本、环境效益的影响,对需求响应的原理进行说明,提出需求响应的优化策略对云储能系统的能量优化调度问题的解决方案,并对其进行仿真测试。 仿真测试表明该策略有效。

关键词： 风力发电机组(机组)   外部散热器   喷淋系统  

摘要： 外部散热器是风力发电机组冷却系统的重要组成部分,主要负责对冷却介质降温,对于降低风力发电机组的主要发热部件温升具有重要作用。本文介绍了通过为风力发电机组外部散热器加装喷淋系统,经过分析研究确定了该提升外部散热器效率的方法有效。

关键词： 风电场   模糊控制   下垂控制   风力发电  

摘要： 风电场内风电机组由于变流器部分的解耦导致惯性降低，影响电力系统稳定性;随着近年来风力发电并网容量在电力系统中的占比不断提升，电网需要风电机组提供快速功率调节能力，支撑电网稳定运行。　　本论文基于对下垂控制频率调节方法及模糊控制功率分配方法的研究，提出风电场快速功率协调控制策略，协调风电场内风电机组的输出功率，提高风电场在电网频率波动时的有功功率支撑能力。　　首先，研究单台永磁同步风电机组的工作原理并进行仿真建模。随后，对比分析现在常用的风电机组一次调频控制策略，对方法的适用条件、功率调节深度等进行对比。基于风电机组一次调频控制策略建立风电机组一次调频仿真模型，使机组运行于有功功率备用状态。在此基础上建立风电场模型。　　随后，研究基于下垂控制的风电场一次调频控制策略，由下垂控制得到的有功功率补偿量与原功率调度指令叠加得到风电场有功功率指令值。设计基于Simulink仿真的风电机组、风电场及控制算法的相关参数，通过仿真对频率波动状况下的系统实际输出功率与功率控制模块给定的理论值进行对比。　　然后，优化风电场的有功功率分配策略。考虑到不同工况下风电机组的功率调节能力不同，且实际应用中应尽量减小对精确数学模型的依赖，本论文采用基于模糊控制的功率分配策略。根据风电场内风电机组实时状态，评价风电机组健康度隶属度和功率调节能力隶属度，并进行功率分配。通过仿真验证了风电机组功率分配策略的可行性。　　最后，以实时仿真器和PLC控制器为基础搭建了半实物仿真实验平台。在RT-Lab实时仿真器内建立风电场模型，利用PLC进行风电场功率控制装置的设计，配置通讯协议实现两者的数据传输。验证了基于下垂控制的风电场功率协调控制策略的有效性以及风电场的并网友好性。

摘要： 双馈异步风电机组在市场中占据重要的份额。该型机组在风电场的应用情况表明,振动是其运行时常见的故障。这类故障会使机组各部件连接松动,严重时会造成机组及其本身部件的损坏,甚至导致停机,影响风电场收益。早期,对于此类故障的监测与诊断主要是依靠经验,或者借助于某些简单的工具。随着技术的进步和用户要求的提高,风电机组状态监测系统(CMS)在线监测成为极为重要的控制手段,并取得了较好的应用效果。

关键词： 交流绕组理论   电磁性能   分数槽绕组   磁动势   模块化电机   空间谐波   风力发电机  

摘要： 风力发电作为一种低碳清洁的可再生能源发电方式,有着广阔的发展前景。目前,风力发电机正朝着永磁直驱与单机大容量的方向发展。本文面向大型永磁直驱风力发电机,研究新型低空间谐波模块化分数槽绕组,可促进大型风力发电机模块化设计技术水平的提升,因此具有重要的理论意义与工程应用价值。本文首先详细研究了传统多相对称交流绕组的磁动势构成,建立了多相对称交流绕组的磁动势谐波分析方法。据此提出了一种新型低空间谐波模块化分数槽绕组,在满足模块化需求的前提下,实现了绕组磁动势低空间谐波含量的目的,从而提升了大型模块化永磁直驱风力发电机的综合电磁性能。本文的主要研究工作如下:1)介绍风电市场和风电技术的发展现状和趋势,明确本课题的研究背景和意义。全面阐述模块化绕组在基础理论研究、性能分析与结构创新设计方面的国内外研究现状。2)对传统多相对称交流绕组的磁动势进行谐波分析。提出分相星形图的概念,通过引入实质单元电机数,对其形态特征规律进行统一的数学描述。在此基础上,对任意相数、极槽配合与绕组层数(双层或单层)的多相对称交流绕组的相绕组磁动势进行谐波分析,推导分布系数的一般计算公式。观测各相绕组磁动势之间的空间相位关系,并据此导出合成磁动势的空间谐波分布情况,从而建立一套针对多相对称交流绕组的磁动势谐波分析方法,为新型模块化绕组的研发提供理论依据。3)提出一种适用于大型永磁直驱风力发电机的新型低空间谐波模块化分数槽绕组。通过将两套传统单层分数槽集中绕组错位叠加,构成一种可降低磁动势非工作齿谐波的双m相叠加绕组,并确定了24槽5对极双三相的最佳相数与极槽配合。针对不等圈边匝数线圈的磁动势偏转效应建立数学描述方法,并提出复合不等圈边匝数线圈,可将圈边匝数比的物理实现范围扩展至正实数集。将复合不等圈边匝数线圈应用于24槽5对极双三相叠加绕组中,可消除其合成磁动势中的1次谐波分量,最终形成新型可模块化低空间谐波分数槽绕组。4)加工制造一台采用本文所提新型绕组的模块化原理样机,对该原理样机进行相关实验,验证本文对该新型绕组所做的磁动势谐波分析的正确性。5)对一台配置了本文所提新型绕组的10 MW永磁直驱风力发电机的电磁性能进行有限元分析,并与另外3台采用其它常用绕组的同容量发电机进行对比。分析了各电机的空载特性、负载特性,包括空载磁场、空载反电动势和齿槽转矩;电枢反应磁场、同步电抗、功率因数、径向磁场力、负载转矩以及损耗与效率等。此外,还对各电机进行了短路故障分析,包括短路电流、短路电磁转矩、永磁体不可逆退磁、短路故障时的径向磁场力以及非故障相中的电压波动。对比结果表明,采用新型绕组的模块化发电机的电枢反应磁场空间谐波较少,展现出较为优异且均衡的综合电磁性能,且具备良好的短路电流抑制能力和抗永磁体不可逆退磁能力。本文在电机绕组磁动势谐波理论和新型低空间谐波模块化绕组的设计与分析方面取得了一些创新成果,对于促进电机绕组理论发展,进而促进大型永磁直驱风力发电机的技术进步具有积极的作用。

关键词： 超导电机   磁场调制电机   直驱风力发电机   双定子电机   交流损耗   低温恒温器   电磁设计  

摘要： 随着陆上风电产业发展的逐步成熟,风电的发展重心正逐渐转向海上风能的开发。为了提高海上风电的可靠性与经济性,大容量直驱化成为海上风力发电机的主要发展趋势。但是大功率直驱风力发电机由于额定转速低,其体积和重量远高于传统的非直驱式机组,在电机的设计、制造与运输安装等方面都面临巨大挑战。超导电机因其具有转矩密度大、重量轻、体积小和效率高等优点,为大容量直驱式海上风电机组的产业化提供了潜在解决方案。但是传统电励磁超导同步电机由于存在旋转励磁或旋转电枢绕组,不可避免地引入了旋转供电、旋转冷却或电刷滑环等装置,很大程度上增加了电机系统结构的复杂性,并降低了系统的可靠性。双定子磁场调制电机具有无旋转绕组的结构,且系统简单可靠。在此背景下,本文对大型双定子超导磁场调制风力发电机的关键设计技术进行了深入研究,主要研究内容和贡献如下:(1)针对超导同步电机存在旋转绕组的问题,提出了整数槽分布式绕组结构的双定子超导磁场调制电机拓扑。在此基础上,对大型双定子超导磁场调制发电机的可行性进行了验证,并完成了双定子超导磁场调制发电机的电磁性能分析与电磁方案设计。本文首先对国内外现有超导电机的结构与工作原理进行了回顾与总结,并根据各类拓扑基本性能的对比,选定双定子超导磁场调制电机作为本文的研究拓扑。其次,基于经典磁场调制理论,对双定子磁场调制电机的工作特点进行了深入研究,解释了励磁与电枢绕组同时静止时电机仍能完成机电能量转换的原因。此外,对大型双定子磁场调制电机不同的衍生拓扑及电枢绕组结构进行了详细的对比研究,并由此提出了整数槽分布式绕组结构的双定子超导磁场调制电机拓扑。同时详细阐述了该拓扑的电磁设计流程,并完成了大型双定子磁场调制电机的优化设计。(2)针对双定子超导磁场调制电机交流损耗较大的问题,提出了采用铜屏蔽层与磁通分流器的组合方案来抑制超导线圈的交流损耗,并取得了良好的抑制效果。首先,通过对超导线圈周围交变磁场的分析,解释了该电机超导线圈存在较大交流损耗的原因。其次,对高温超导带材交流损耗的各向异性进行分析,得到了影响交流损耗大小的主要参数,同时为了准确并快速计算电机中超导线圈的交流损耗大小,建立了基于T-A方程组的全耦合有限元仿真模型。在此基础上,提出了两种抑制超导线圈交流损耗的方法,并对各方法的抑制效果进行了详细研究。最后,通过采用铜屏蔽层与磁通分流器的组合方案,完成了对交流损耗的抑制。(3)针对电机模块化低温恒温器结构紧凑的要求,提出了一种简单可靠且安装方便的低温恒温器结构。基于对超导线圈交流损耗的分析与电机的工作特点,对低温恒温器的组成部件进行了设计与分析。为了便于安装,提出了挤压式的支撑结构,通过恒温器外壁的分段组装,解决了恒温器支撑结构安装困难的问题。在完成结构设计的基础上,提出了分布式冷却方案,并完成了低温恒温器冷却功率的计算及超导线圈热稳定性的评估。(4)完成了10 MW双定子超导磁场调制发电机的整体设计方案,包括电机的详细尺寸及各部件的重量与成本。其次,通过将双定子超导磁场调制电机的性能参数与现有的10 MW超导同步电机方案的对比,证明了大型双定子超导磁场调制风力发电机的可行性及其应用潜力。此外,对风机在不同风况及转子转速下的运行特性进行了研究。综上,本文从理论分析、电磁设计、交流损耗抑制及低温恒温器设计等方面对大型双定子超导磁场调制电机进行了深入研究,完成了10 MW双定子超导磁场调制发电机的设计方案,为大型海上超导风力发电机的发展提供了理论支持与技术指导。

关键词： 风力发电   故障诊断   重采样   经验小波变换   卷积神经网络  

摘要： 随着风力发电在国内外逐渐的发展,风力发电机的运维成为风电发展中至关重要的部分,这不管对于风力发电的产能效率以及投资成本都占有十分重要的地位。风力发电机故障中最大的问题在于机械故障,其主要有难排查、维修周期长的问题。因此,针对风力发电机振动加速度信号的特点,本文针对风力发电机的故障诊断进行了以下研究:(1)提出了一种针对风机振动加速度信号的新故障诊断方案。提出一种信号重采样的方法去降低风机采样数据中故障特征受风机转速、采样频率的影响。对风机振动加速度信号用经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)实现降噪,从时频域去处理采样信号,能够得到更好的结果且达到加强故障特征的效果。将重采样降噪(Resampling and Denoising,RD)处理后信号的特征参数进行敏感性分析,提取出敏感性更高的特征参数输入到属于前馈网络的概率神经网络(Probabilistic Neural Network,PNN)中,高效快速的实现风机的故障分类。(2)为了避免风机特征参数提取的不确定性,提出了将重采样方法、经验小波降噪方法与一维卷积神经网络相结合的方法,形成重采样降噪卷积神经网络(Resampling Denoising Convolutional Neural Network,RD-CNN)。将CNN用于风机数据故障特征空间信息的自动学习,取代故障特征参数的提取以及分类器,提升了故障诊断的精度和灵敏度。(3)针对风机故障程度分析中常见的都是非线性分类的问题,提出一种线性且可实现可视化的风机故障程度分析方法。对于风机的振动加速度信号,同样采用经验小波变换方法对信号进行降噪,以及去除冗余的分量信息。然后通过相空间重构(Phase Space Reconstruction,PSR)方法,将信号的特征信息扩展到一个能够表现出信号动力学特性和内部特性的高维空间中。最后将扩展后的信息进行一个协方差矩阵奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD),通过 EWT-PSR-SVD 的方法实现风机故障程度的线性分析以及可视化。

关键词： 风力发电系统   风力发电装置  

ISBN: (纸本)9787566832399