大型變槳距直驅(qū)式風(fēng)電機組系統(tǒng)建模與控制策略研究

【摘要】：直驅(qū)式風(fēng)電機組由于在運轉(zhuǎn)過程中沒有高速旋轉(zhuǎn)部件,省去了主軸上增速齒輪箱等高故障部件,可靠性大大增加,因而成為風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向和熱點,近年來得到快速發(fā)展。但是,作為世界上的風(fēng)能大國,我國尚不完全具備獨立開發(fā)大型直驅(qū)式風(fēng)電機組的能力,設(shè)計、控制部分關(guān)鍵技術(shù)仍然依賴國外,因而需要開展系統(tǒng)深入的理論和應(yīng)用研究。本文圍繞大型變槳距直驅(qū)式風(fēng)電機組展開系統(tǒng)建模與變槳距控制等技術(shù)研究,旨在掌握關(guān)鍵理論、方法和技術(shù),為風(fēng)電機組設(shè)計與控制提供理論依據(jù)。 本文主要研究內(nèi)容和成果包括： 進(jìn)行了大型風(fēng)電機組氣動分析理論與方法研究,構(gòu)建了基于BEM修正理論和動態(tài)失速模型的氣動分析模型。該模型以葉素—動量理論作為大型風(fēng)電機組氣動分析理論,采用Prandtl和Buhl等方式進(jìn)行了修正；考慮到動態(tài)失速對翼型氣動性能的影響,提出了一種基于B-L模型的動態(tài)失速半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。通過聯(lián)合BEM修正理論與動態(tài)失速半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?得到了一種大型風(fēng)電機組氣動分析模型與算法。 進(jìn)行了大型風(fēng)電機組載荷計算與分析研究,構(gòu)建了載荷計算模型,主要包括氣動載荷、離心力載荷和重力載荷計算模型等。對大型風(fēng)電機組坐標(biāo)系進(jìn)行了定義,推導(dǎo)了不同坐標(biāo)系之間的變換矩陣；基于前述氣動分析理論,建立了大型風(fēng)電機組氣動載荷計算模型；提出了風(fēng)電機組離心力載荷和重力載荷計算模型,詳細(xì)推導(dǎo)了氣動力、離心力和重力引起的擺振、揮舞和變槳距載荷等計算方法。 進(jìn)行了大型變槳距直驅(qū)式風(fēng)電機組能量流系統(tǒng)建模與分析研究,提出了一種能量傳遞主系統(tǒng)建模方法。該方法采用4層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立風(fēng)輪氣動特性快速計算模型,在此基礎(chǔ)上,將風(fēng)輪模型與風(fēng)輪—發(fā)電機動力學(xué)耦合模型、永磁同步發(fā)電機模型、AC-DC-AC變流器電氣模型和控制模型進(jìn)行集成,從而構(gòu)建出大型直驅(qū)式風(fēng)電機組能量傳遞主系統(tǒng)“風(fēng)輪—發(fā)電機—變流器—電網(wǎng)”的完整模型。基于構(gòu)建的集成模型,進(jìn)行了直驅(qū)式風(fēng)電機組動態(tài)運行特性研究。 進(jìn)行了大型風(fēng)電機組電動獨立變槳距機構(gòu)動力學(xué)建模與控制分析。建立了包括驅(qū)動電機電磁轉(zhuǎn)矩方程、機電運動方程、傳動軸和三級行星輪運動方程在內(nèi)的變槳距系統(tǒng)非線性動力學(xué)方程。變槳距機構(gòu)伺服控制以感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制為基礎(chǔ),采取定子電流、轉(zhuǎn)速和位置反饋三閉環(huán)結(jié)構(gòu)。然后,對減速器—葉片子系統(tǒng)以及驅(qū)動電機—減速器—葉片系統(tǒng)動力特性和伺服控制特性等進(jìn)行了分析。 進(jìn)行了大型直驅(qū)式風(fēng)電機組系統(tǒng)變槳距控制研究。通過對風(fēng)電機組變槳距系統(tǒng)進(jìn)行分析,選取功率、疲勞載荷為目標(biāo),推導(dǎo)了相應(yīng)表達(dá)式。分析了基于統(tǒng)一變槳距的大型直驅(qū)式風(fēng)電機組功率控制策略和基于獨立變槳距的功率、載荷聯(lián)合控制策略,建立了系統(tǒng)數(shù)值仿真模型,模型包含了前述氣動、載荷、能量流和變槳距機構(gòu)等模塊。最后,通過建立的數(shù)值仿真模型,對大型直驅(qū)式風(fēng)電機組變槳距控制動態(tài)特性進(jìn)行了分析。 【關(guān)鍵詞】：直驅(qū)式風(fēng)電機組 葉素—動量理論 動態(tài)失速 風(fēng)電機組載荷 能量流 變槳距控制
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-30
• 1.1 論文研究背景和選題意義13-18
• 1.1.1 風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)概況13-15
• 1.1.2 現(xiàn)代風(fēng)電機組發(fā)展趨勢15-17
• 1.1.3 選題意義及課題來源17-18
• 1.2 直驅(qū)式風(fēng)電機組建模與控制研究現(xiàn)狀18-27
• 1.2.1 直驅(qū)式風(fēng)電機組基本結(jié)構(gòu)18-19
• 1.2.2 理論研究現(xiàn)狀與存在的問題19-27
• 1.3 研究目標(biāo)與主要研究內(nèi)容27-30
• 第二章 基于BEM修正理論和動態(tài)失速模型的大型風(fēng)電機組氣動分析30-54
• 2.1 引言30
• 2.2 氣動分析葉素—動量修正理論30-37
• 2.2.1 葉素—動量修正模型30-35
• 2.2.2 誘導(dǎo)速度因子分布實例研究35-37
• 2.3 基于B-L模型的動態(tài)失速修正模型37-53
• 2.3.1 動態(tài)失速附著流模型39-41
• 2.3.2 動態(tài)失速后緣分離流模型41-43
• 2.3.3 動態(tài)失速渦流升力模型43-44
• 2.3.4 動態(tài)失速模型計算參數(shù)確定44-47
• 2.3.5 NACA63-415翼型動態(tài)失速半經(jīng)驗?zāi)Ｐ万炞C47-53
• 2.4 小結(jié)53-54
• 第三章 大型風(fēng)電機組載荷計算與分析54-80
• 3.1 引言54
• 3.2 風(fēng)電機組坐標(biāo)系定義54-57
• 3.3 風(fēng)電機組載荷計算模型構(gòu)建57-67
• 3.3.1 氣動力引起的風(fēng)電機組載荷計算模型57-60
• 3.3.2 離心力引起的風(fēng)電機組載荷計算模型60-64
• 3.3.3 重力引起的風(fēng)電機組載荷計算模型64-67
• 3.4 風(fēng)電機組載荷計算實例研究67-78
• 3.4.1 氣動載荷實例計算結(jié)果與分析67-72
• 3.4.2 離心力載荷實例計算結(jié)果與分析72-74
• 3.4.3 重力載荷實例計算結(jié)果與分析74-78
• 3.5 小結(jié)78-80
• 第四章 大型直驅(qū)式風(fēng)電機組能量流系統(tǒng)建模與分析80-101
• 4.1 引言80-81
• 4.2 風(fēng)輪氣動特性模型81-89
• 4.2.1 基于功率系數(shù)風(fēng)輪氣動特性模型81
• 4.2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)輪氣動特性模型81-89
• 4.3 直驅(qū)式風(fēng)電機組傳動軸動力學(xué)模型89-90
• 4.4 直驅(qū)式風(fēng)電機組電氣系統(tǒng)模型90-92
• 4.4.1 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機模型90-91
• 4.4.2 交-直-交(AC-DC-AC)變流器模型91-92
• 4.5 直驅(qū)式風(fēng)電機組電氣系統(tǒng)控制策略92-95
• 4.5.1 發(fā)電機側(cè)變流器控制策略92-94
• 4.5.2 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略94-95
• 4.6 能量流系統(tǒng)仿真分析95-99
• 4.7 小結(jié)99-101
• 第五章 大型風(fēng)電機組獨立變槳距機構(gòu)動力學(xué)建模與分析101-118
• 5.1 引言101
• 5.2 獨立變槳距執(zhí)行機構(gòu)101-102
• 5.3 變槳距機構(gòu)非線性動力學(xué)模型102-105
• 5.3.1 驅(qū)動電機模型102-103
• 5.3.2 減速器、傳動軸模型103-105
• 5.4 系統(tǒng)響應(yīng)特性仿真分析105-109
• 5.4.1 減速器—葉片子系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)105-107
• 5.4.2 驅(qū)動電機—減速器—葉片系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)107-109
• 5.5 變槳距機構(gòu)驅(qū)動控制分析109-113
• 5.5.1 變槳距機構(gòu)伺服驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)109-110
• 5.5.2 變槳距機構(gòu)驅(qū)動控制仿真分析110-113
• 5.6 變槳距機構(gòu)動力特性實驗研究113-117
• 5.6.1 實驗裝置基本構(gòu)成113-115
• 5.6.2 實驗過程及結(jié)果分析115-117
• 5.7 小結(jié)117-118
• 第六章 大型直驅(qū)式風(fēng)電機組變槳距功率、載荷聯(lián)合控制118-135
• 6.1 引言118-119
• 6.2 變槳距控制目標(biāo)分析119-124
• 6.2.1 風(fēng)電機組功率表達(dá)式119
• 6.2.2 載荷、振動表達(dá)式119-124
• 6.3 變槳距控制策略分析124-130
• 6.3.1 基于統(tǒng)一變槳距功率控制策略124-125
• 6.3.2 基于獨立變槳距功率、載荷聯(lián)合控制策略125-130
• 6.4 風(fēng)電機組變槳距仿真分析130-134
• 6.5 小結(jié)134-135
• 第七章 結(jié)論與展望135-138
• 7.1 全文成果和結(jié)論135-136
• 7.2 研究不足與未來工作展望136-138
• 參考文獻(xiàn)138-149
• 致謝149-150
• 攻讀學(xué)位期間主要的研究成果目錄150

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風(fēng)力發(fā)電機電動變槳距控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究    吉小康

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兆瓦級風(fēng)電機組獨立變槳距控制系統(tǒng)研究    馬曉巖