大型变桨距直驱式风电机组系统建模与控制策略研究

【摘要】：直驱式风电机组由于在运转过程中没有高速旋转部件,省去了主轴上增速齿轮箱等高故障部件,可靠性大大增加,因而成为风电技术领域的重要研究方向和热点,近年来得到快速发展。但是,作为世界上的风能大国,我国尚不完全具备独立开发大型直驱式风电机组的能力,设计、控制部分关键技术仍然依赖国外,因而需要开展系统深入的理论和应用研究。本文围绕大型变桨距直驱式风电机组展开系统建模与变桨距控制等技术研究,旨在掌握关键理论、方法和技术,为风电机组设计与控制提供理论依据。 本文主要研究内容和成果包括： 进行了大型风电机组气动分析理论与方法研究,构建了基于BEM修正理论和动态失速模型的气动分析模型。该模型以叶素—动量理论作为大型风电机组气动分析理论,采用Prandtl和Buhl等方式进行了修正；考虑到动态失速对翼型气动性能的影响,提出了一种基于B-L模型的动态失速半经验模型。通过联合BEM修正理论与动态失速半经验模型,得到了一种大型风电机组气动分析模型与算法。 进行了大型风电机组载荷计算与分析研究,构建了载荷计算模型,主要包括气动载荷、离心力载荷和重力载荷计算模型等。对大型风电机组坐标系进行了定义,推导了不同坐标系之间的变换矩阵；基于前述气动分析理论,建立了大型风电机组气动载荷计算模型；提出了风电机组离心力载荷和重力载荷计算模型,详细推导了气动力、离心力和重力引起的摆振、挥舞和变桨距载荷等计算方法。 进行了大型变桨距直驱式风电机组能量流系统建模与分析研究,提出了一种能量传递主系统建模方法。该方法采用4层BP神经网络建立风轮气动特性快速计算模型,在此基础上,将风轮模型与风轮—发电机动力学耦合模型、永磁同步发电机模型、AC-DC-AC变流器电气模型和控制模型进行集成,从而构建出大型直驱式风电机组能量传递主系统“风轮—发电机—变流器—电网”的完整模型。基于构建的集成模型,进行了直驱式风电机组动态运行特性研究。 进行了大型风电机组电动独立变桨距机构动力学建模与控制分析。建立了包括驱动电机电磁转矩方程、机电运动方程、传动轴和三级行星轮运动方程在内的变桨距系统非线性动力学方程。变桨距机构伺服控制以感应电机转子磁场定向矢量控制为基础,采取定子电流、转速和位置反馈三闭环结构。然后,对减速器—叶片子系统以及驱动电机—减速器—叶片系统动力特性和伺服控制特性等进行了分析。 进行了大型直驱式风电机组系统变桨距控制研究。通过对风电机组变桨距系统进行分析,选取功率、疲劳载荷为目标,推导了相应表达式。分析了基于统一变桨距的大型直驱式风电机组功率控制策略和基于独立变桨距的功率、载荷联合控制策略,建立了系统数值仿真模型,模型包含了前述气动、载荷、能量流和变桨距机构等模块。最后,通过建立的数值仿真模型,对大型直驱式风电机组变桨距控制动态特性进行了分析。 【关键词】：直驱式风电机组 叶素—动量理论 动态失速 风电机组载荷 能量流 变桨距控制
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 论文研究背景和选题意义13-18
• 1.1.1 风力发电产业概况13-15
• 1.1.2 现代风电机组发展趋势15-17
• 1.1.3 选题意义及课题来源17-18
• 1.2 直驱式风电机组建模与控制研究现状18-27
• 1.2.1 直驱式风电机组基本结构18-19
• 1.2.2 理论研究现状与存在的问题19-27
• 1.3 研究目标与主要研究内容27-30
• 第二章 基于BEM修正理论和动态失速模型的大型风电机组气动分析30-54
• 2.1 引言30
• 2.2 气动分析叶素—动量修正理论30-37
• 2.2.1 叶素—动量修正模型30-35
• 2.2.2 诱导速度因子分布实例研究35-37
• 2.3 基于B-L模型的动态失速修正模型37-53
• 2.3.1 动态失速附着流模型39-41
• 2.3.2 动态失速后缘分离流模型41-43
• 2.3.3 动态失速涡流升力模型43-44
• 2.3.4 动态失速模型计算参数确定44-47
• 2.3.5 NACA63-415翼型动态失速半经验模型验证47-53
• 2.4 小结53-54
• 第三章 大型风电机组载荷计算与分析54-80
• 3.1 引言54
• 3.2 风电机组坐标系定义54-57
• 3.3 风电机组载荷计算模型构建57-67
• 3.3.1 气动力引起的风电机组载荷计算模型57-60
• 3.3.2 离心力引起的风电机组载荷计算模型60-64
• 3.3.3 重力引起的风电机组载荷计算模型64-67
• 3.4 风电机组载荷计算实例研究67-78
• 3.4.1 气动载荷实例计算结果与分析67-72
• 3.4.2 离心力载荷实例计算结果与分析72-74
• 3.4.3 重力载荷实例计算结果与分析74-78
• 3.5 小结78-80
• 第四章 大型直驱式风电机组能量流系统建模与分析80-101
• 4.1 引言80-81
• 4.2 风轮气动特性模型81-89
• 4.2.1 基于功率系数风轮气动特性模型81
• 4.2.2 基于BP神经网络的风轮气动特性模型81-89
• 4.3 直驱式风电机组传动轴动力学模型89-90
• 4.4 直驱式风电机组电气系统模型90-92
• 4.4.1 旋转坐标系下永磁同步发电机模型90-91
• 4.4.2 交-直-交(AC-DC-AC)变流器模型91-92
• 4.5 直驱式风电机组电气系统控制策略92-95
• 4.5.1 发电机侧变流器控制策略92-94
• 4.5.2 电网侧变流器控制策略94-95
• 4.6 能量流系统仿真分析95-99
• 4.7 小结99-101
• 第五章 大型风电机组独立变桨距机构动力学建模与分析101-118
• 5.1 引言101
• 5.2 独立变桨距执行机构101-102
• 5.3 变桨距机构非线性动力学模型102-105
• 5.3.1 驱动电机模型102-103
• 5.3.2 减速器、传动轴模型103-105
• 5.4 系统响应特性仿真分析105-109
• 5.4.1 减速器—叶片子系统动态响应105-107
• 5.4.2 驱动电机—减速器—叶片系统动态响应107-109
• 5.5 变桨距机构驱动控制分析109-113
• 5.5.1 变桨距机构伺服驱动控制结构109-110
• 5.5.2 变桨距机构驱动控制仿真分析110-113
• 5.6 变桨距机构动力特性实验研究113-117
• 5.6.1 实验装置基本构成113-115
• 5.6.2 实验过程及结果分析115-117
• 5.7 小结117-118
• 第六章 大型直驱式风电机组变桨距功率、载荷联合控制118-135
• 6.1 引言118-119
• 6.2 变桨距控制目标分析119-124
• 6.2.1 风电机组功率表达式119
• 6.2.2 载荷、振动表达式119-124
• 6.3 变桨距控制策略分析124-130
• 6.3.1 基于统一变桨距功率控制策略124-125
• 6.3.2 基于独立变桨距功率、载荷联合控制策略125-130
• 6.4 风电机组变桨距仿真分析130-134
• 6.5 小结134-135
• 第七章 结论与展望135-138
• 7.1 全文成果和结论135-136
• 7.2 研究不足与未来工作展望136-138
• 参考文献138-149
• 致谢149-150
• 攻读学位期间主要的研究成果目录150

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