随机扰动作用下并网风力发电机组稳定机理与最优控制研究

Grid-connected wind turbine generator operating under different inevitable stochastic disturbances is a nonlinear stochastic dynamical system. With the interaction of random and nonlinearity, the complex stochastic dynamical behaviors, which will impact the system performance and stability, are likely to happen in such system. This project will first propose the model of the wind turbine generator system considering both the stochastic and nonlinear characteristics, and then study the complex nonlinear stochastic behaviors in this system under various stochastic disturbances, such as fluctuation of the wind power, variation of the load and the short-circuit fault, based on the theory of nonlinear stochastic dynamics. Especially, we will focus on the effect of the stochastic disturbances on the steady-state and transient stability of the grid-connected wind turbine generator. The purposes are to propose the proper model and analysis method for the wind turbine generator operating under the stochastic disturbances; analyze the types, characteristics and mechanisms of the nonlinear phenomena; obtain the stochastic stability conditions and furthermore propose the stochastic optimal control strategy for the grid-connected wind turbine generator in order to improve the system stability and robustness. The key points of the study are the analysis of the stability mechanisms under multi stochastic disturbances and the quantitative theoretic description of the stochastic stability. This project can provide theoretic reference for both practical operating and designing of this system.

并网风力发电机组在运行过程中受到各类固有的随机干扰，是一个非线性随机动力学系统。随机与非线性相互作用，系统中会出现复杂的随机动力学行为，从而影响系统的运行性能和稳定性。本项目将建立考虑随机和非线性耦合作用的风力发电机组的模型，基于非线性随机动力学系统的分析方法，研究在风能变化、电网负荷波动以及电力系统中发生的短路故障这几种随机因素作用下并网风电机组中的非线性随机复杂行为，特别关注这些随机扰动对系统稳态和暂态稳定性的影响。目标是提出随机扰动作用下风力发电系统的模型和分析方法；揭示风电机组中随机和非线性耦合作用的内在机理和运动形态，阐明非线性随机现象的类型、特点和产生机理，给出系统随机稳定的条件；在此基础上，提出随机最优控制方法，提高并网风电机组的稳定性和鲁棒性。研究的关键在于多种随机干扰协同作用下并网风电机组稳定机理的分析和随机稳定性的定量理论描述。研究将为系统的运行和设计提供理论依据。

并网风力发电机组在运行过程中受到各类固有的随机扰动，是一个非线性随机动力学系统。随机与非线性相互作用，系统中会出现复杂的随机动力学行为，从而影响系统的运行性能和稳定性。本项目首先研究了并网风电机组在确定性情况下的非线性动力学行为及稳定性问题，研究发现风电机组会因Hopf分岔、混沌和同宿分岔的发生而失稳振荡甚至崩溃。对确定性系统动力学行为的研究为分析随机扰动作用下系统的稳定性问题奠定了基础。进而，在建立了考虑随机和非线性耦合作用的风力发电机组数学模型的基础上，采用数值模拟和全局定量分析方法，分析了不同随机激励强度下系统的运行曲线，研究了风力发电机组在随机因素和非线性耦合作用下的复杂行为，研究发现随机的作用改变了系统吸引子的形状、类型、数量和吸引域的边界，从而改变了系统的稳定边界及失稳过程。这部分研究揭示了风电机组中随机和非线性耦合作用的内在机理、运动形态和非线性随机现象的产生机理，得出了系统随机稳定的条件。为了有效避免由于电网故障这类随机大扰动引起的风力发电机组的不稳定问题，在研究了这类随机扰动对风电机组暂态稳定性影响的基础上，提出了一种利用转子惯性暂存故障态注入风能并同时按电网需要提供无功支撑的控制方法，有效提高了系统的稳定性和鲁棒性。建立了1.5kW直驱式永磁同步风力发电机组的实验平台，通过实验分析了在不同工况下风力发电机组的运行特性，并为实验验证工作奠定了基础。本项目的研究可以为风力发电系统的运行和设计提供理论依据和参考。