MW级变速恒频风电机组独立变桨控制技术研究

【摘要】：为了提高风电场的发电效益，风电机组单机功率的不断增加，风轮直径也不断增大，目前风电机组单机功率已普遍达到1.5MW、2MW、3MW，并向5MW、6叶MW发展，叶片的长度已经增加到40～60m。由于风电机组受到风剪切和塔影效应等因素影响，会造成风轮载荷的不均匀。随着叶片的增大，风轮载荷的不均匀加剧，同时风电机组俯仰弯矩和偏航弯矩等附加载荷也随之增大。这些附加载荷会增加风电机组传动系统的疲劳应力，降低疲劳寿命。因此，如何通过独立变桨控制有效降低风电机组俯仰弯矩、偏航弯矩，以降低整机及关键零部件载荷是一个迫切需要解决的理论和技术问题。 论文以MW级变速恒频风电机组独立变桨控制技术为研究对象，将载荷控制作为目标，通过建立风电机组气动性能计算模型和系统模型，对风电机组在额定风速以上的变桨控制及整机载荷减小等策略进行了研究，提供了一个解决问题的方法，并基于Matlab/simulink对风电机组的气动模型和独立变桨控制系统进行了仿真研究。 论文主要研究内容及结构如下：第一章：阐述了课题的研究背景及研究意义，对风力发电机组控制系统的策略和算法进行了归纳分析，在此基础上给出了论文的主要内容和组织结构。 第二章：综合考虑到各种修正因素，包括普朗特损失因子、诱导因子a值较大时的Glauert修正、风剪切的影响、塔影效应以及三维旋转效应的影响，对传统叶素动量理论进行了改进，建立风电机组气动性能计算模型。通过Matlab/simulink搭建了该气动性能计算模型，计算出在不同风速、转速和桨距角配置下的推力、功率和风能利用系数，与传统叶素动量理论及风电设计分析软件Bladed计算值进行对比，验证了该模型的正确性和优越性。 第三章：研究了风电机组空气动力学线性化模型，并基于多叶片坐标转换理论，建立了风电机组线性时不变模型，最终计算出空气动力学参数。 第四章：研究了面向控制系统设计的风力发电机组整机模型。依据仿真系统中模块化设计思想，给出了风力发电机组传动系统和桨距系统功能模块，并详细介绍了它们的运行特性，同时在Matlab/simulink中搭建了风速模型。最终对基于桨叶方位角信号的独立变桨控制和基于载荷反馈控制方案的独立变桨技术进行了仿真研究，首先将它们的仿真结果与统一变桨进行对比，然后对两种独立变桨仿真结果进行了对比。仿真结果表明：与同步变桨技术相比，采用载荷反馈控制方案的独立变桨技术大大降低了风轮俯仰和偏航载荷。 第五章：研究了基于风速前馈及载荷反馈的独立变桨控制技术，并对该混合控制策略进行了仿真。仿真结果表明：采用混合控制的独立变桨技术能够显著降低俯仰载荷以及偏航载荷，且响应速度较快。因此风速前馈载荷反馈的控制方案在降低载荷方面兼有前馈与反馈的优点，达到了预期效果。 第六章：总结论文的主要研究成果，并给出了今后有待进一步研究的工作和方向。 【关键词】：风电机组 叶素动量理论 独立变桨控制 混合控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 研究背景9-10
• 1.1.2 研究目的和意义10-11
• 1.2 风力发电机组的控制技术11-14
• 1.2.1 定桨距控制技术11-12
• 1.2.2 变桨距控制技术12
• 1.2.3 独立桨距控制技术12-14
• 1.3 论文主要研究内容14-17
• 2 风电机组空气动力学模型17-45
• 2.1 叶素动量理论17-22
• 2.1.1 动量理论17-20
• 2.1.2 叶素理论20-21
• 2.1.3 叶素动量理论21-22
• 2.2 改进叶素动量理论22-33
• 2.2.1 坐标系统的建立22-24
• 2.2.2 计算相对速度24-25
• 2.2.3 载荷的计算25-26
• 2.2.4 计算诱导速度26-29
• 2.2.5 叶片的结构和翼型数据29-30
• 2.2.6 风剪切影响30-31
• 2.2.7 塔影效应对风速的影响31-32
• 2.2.8 三维旋转效应影响和 Snel 三维升力系数修正32
• 2.2.9 改进叶素动量理论的计算流程32-33
• 2.3 仿真及结果分析33-42
• 2.3.1 改进叶素动量理论与传统 BEM 模型计算值的对比35-37
• 2.3.2 风剪切与塔影效应仿真37-42
• 2.4 本章小结42-45
• 3 独立变桨控制系统建模45-55
• 3.1 建立风力发电机组空气动力学线性时变模型45-49
• 3.2 坐标变换49-52
• 3.3 建立风力发电机组线性时不变模型52
• 3.4 风轮空气动力学参数的计算52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 4 风电机组独立变桨系统的建模与研究55-75
• 4.1 风力发电机仿真模型的建立55-58
• 4.1.1 发电机及传动系统模型55-57
• 4.1.2 桨距执行机构模型57
• 4.1.3 变桨速率模型57-58
• 4.2 风速模型58-62
• 4.3 滤波器模型62-63
• 4.4 基于桨叶方位信号的多段权系数独立变桨控制器的建模63-68
• 4.5 基于叶片载荷的独立变桨控制器的建模68-74
• 4.6 本章小结74-75
• 5 独立变桨距技术仿真与分析75-83
• 5.1 基于风速前馈的独立变桨距技术研究与仿真75-77
• 5.1.1 前馈控制系统的特点75-76
• 5.1.2 前馈控制系统设计76-77
• 5.2 基于载荷反馈、风速前馈的独立变桨距技术研究与仿真77-81
• 5.2.1 前馈一反馈控制系统77
• 5.2.2 仿真77-81
• 5.3 本章小结81-83
• 6 结论与展望83-85
• 6.1 主要结论83-84
• 6.2 后续研究工作展望84-85
• 致谢85-87
• 参考文献87-91
• 附录91
• A. 攻读硕士学位期间所发表的论文91
• B. 攻读硕士学位期间参加的课题研究91

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