風電機組動態(tài)載荷特性及主動抑制策略研究

【摘要】：風力發(fā)電是發(fā)展最快也是當前最具潛力、可大規(guī)模應用的可再生能源發(fā)電方式之一。風電機組受隨機風、風切變和塔影效應、外部電網(wǎng)擾動等因素影響,加之其大型化發(fā)展帶來的葉片、塔筒、傳動軸等部件柔性大、阻尼小的特點,導致風電機組所承受的動態(tài)載荷不斷增加且異常復雜。研究風電機組的動態(tài)載荷特性及其主動控制策略,對提高其安全可靠運行能力具有重要的理論和實際應用價值。論文以雙饋風電機組為研究對象,圍繞風電機組的動態(tài)載荷特性涉及的建模與控制,深入開展其機電聯(lián)合仿真模型以及抑制風電機組葉片、塔筒和傳動鏈等關鍵部件動態(tài)載荷控制策略的研究,主要工作及取得的成果如下:①為了提高風電機組載荷仿真計算速度以及對變槳控制策略進行優(yōu)化設計,針對電動變槳驅動系統(tǒng)的傳統(tǒng)簡化模型不能很好地反映風電機組動態(tài)載荷特性的問題,論文提出一種考慮電動變槳驅動系統(tǒng)動態(tài)特性的改進簡化傳遞函數(shù)模型。首先,基于電動變槳驅動系統(tǒng)的感應電動機電壓方程和控制策略,建立其詳細傳遞函數(shù)模型;其次,通過傳遞函數(shù)等效、傳遞函數(shù)框圖化簡和靈敏度分析等方法,推導并建立考慮其動態(tài)特性的改進簡化傳遞函數(shù)模型;最后,為了驗證改進簡化模型在風電機組載荷仿真和變槳控制設計方面的有效性,論文對其頻域特性及其對變槳控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行分析,并將其與傳統(tǒng)一階慣性環(huán)節(jié)模型以及實際電動變槳驅動系統(tǒng)樣機測試結果進行比較。②鑒于現(xiàn)有風電機組載荷仿真模型很少考慮電氣系統(tǒng)動態(tài)對機組動態(tài)載荷特性影響的問題,論文提出并建立基于不同仿真平臺的雙饋風電機組機電聯(lián)合仿真模型。在風電機組的機械結構方面建立風速、空氣動力和機械動力模型,在電氣系統(tǒng)方面建立詳細的雙饋發(fā)電機及其控制策略模型。綜合變槳驅動系統(tǒng)的改進簡化傳遞函數(shù)模型和機組的其他子系統(tǒng)模型,基于Turb Sim、Aero Dyn、FAST及Matlab/Simulink四種軟件/程序,建立適合動態(tài)載荷特性分析的雙饋風電機組機電聯(lián)合仿真模型。最后,為了驗證所建聯(lián)合仿真模型在風電機組載荷特性分析方面的有效性,對不同電動變槳驅動系統(tǒng)簡化模型以及不同發(fā)電機模型下的機組載荷特性進行仿真比較,并和某樣機的實測載荷數(shù)據(jù)進行對比。③針對葉輪掃略面內風速不均衡導致的風電機組諧波載荷問題,論文分析了其諧波載荷特性,借鑒電氣系統(tǒng)諧波抑制思想,提出一種基于比例-諧振(PR)獨立變槳的風電機組諧波載荷抑制策略。首先,分析葉根彎矩諧波載荷對輪轂載荷的影響規(guī)律及其抑制機理。其次,為了使PR獨立變槳控制策略更具魯棒性,建立了周期時變葉片系統(tǒng)的平均線性化模型,對控制策略中的PR控制器參數(shù)進行設計;為減少葉片柔性和變槳驅動系統(tǒng)動態(tài)引起的控制系統(tǒng)相位偏移,也對控制策略中的相位補償器參數(shù)進行分析。最后,對所提獨立控制策略在系統(tǒng)參數(shù)周期時變情況下的穩(wěn)定性進行探討,并就其諧波載荷抑制效果與常規(guī)統(tǒng)一變槳控制策略進行仿真比較。④針對葉片安裝角誤差可能導致的風電機組不平衡載荷問題,論文分析了葉輪不平衡風電機組的載荷特性,并提出一種基于解耦科爾曼變換的不平衡載荷抑制的變槳控制策略。首先,分析并仿真驗證葉輪不平衡情況下機組的載荷特性及變化規(guī)律。其次,針對葉片和變槳驅動系統(tǒng)的傳統(tǒng)科爾曼變換模型存在的變量耦合,利用前饋補償方法設計控制策略的解耦控制器;并利用單輸入單輸出理論對其主控制器參數(shù)進行分析。最后,對基于解耦科爾曼變換的變槳控制策略的穩(wěn)定性、不平衡載荷的跟蹤控制能力以及葉輪轉速變化的適應性進行頻域分析,并就其不平衡載荷抑制效果進行仿真驗證。⑤針對雙饋風電機組傳動鏈自身阻尼小,易受扭振載荷影響的問題,論文分析了風電機組傳動鏈的扭振特性,并基于模型預測控制(MPC)理論,提出一種抑制傳動鏈扭振載荷的阻尼控制策略。首先,通過推導傳動鏈的不同傳遞函數(shù)模型,對其扭振特性進行頻域分析。其次,考慮傳動鏈系統(tǒng)參數(shù)的不確定性,對論文提出的傳動鏈MPC阻尼控制策略的預測模型、預測誤差校正、優(yōu)化目標函數(shù)進行設計。最后,以基于帶通濾波器的傳統(tǒng)傳動鏈阻尼控制策略作為比較對象,對MPC阻尼控制策略在傳動鏈參數(shù)改變情況下的阻尼控制性能進行零極點分析,并對其在電網(wǎng)故障下的傳動鏈扭振載荷抑制效果進行仿真驗證。上述研究成果對分析風電機組載荷特性,降低風電機組葉片、塔筒和傳動鏈等關鍵部件的動態(tài)載荷,并提高風電機組安全可靠性具有重要的實用價值,也為大型風電機組載荷抑制策略的研發(fā)奠定理論基礎和決策支持。 【關鍵詞】：風電機組 機電聯(lián)合仿真模型 載荷抑制 變槳控制 轉矩控制
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 課題背景和意義11-12
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀分析12-18
• 1.2.1 風電機組建模及載荷分析的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 風電機組載荷主動控制的研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 本文的研究內容18-21
• 2 電動變槳驅動系統(tǒng)的改進簡化傳遞函數(shù)模型21-37
• 2.1 引言21
• 2.2 電動變槳驅動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型21-24
• 2.3 電動變槳驅動系統(tǒng)的改進簡化傳遞函數(shù)模型及其頻域特性分析24-32
• 2.3.1 電動變槳驅動系統(tǒng)的詳細傳遞函數(shù)模型24-26
• 2.3.2 電動變槳驅動系統(tǒng)改進簡化傳遞函數(shù)模型的推導26-30
• 2.3.3 電動變槳驅動系統(tǒng)改進簡化傳遞函數(shù)模型的頻域特性分析30-32
• 2.4 改進簡化傳遞函數(shù)模型的樣機測試和仿真驗證32-34
• 2.4.1 負載擾動下的動態(tài)特性驗證33
• 2.4.2 給定時變槳距角信號下的動態(tài)性能驗證33-34
• 2.5 小結34-37
• 3 雙饋風電機組機電聯(lián)合仿真模型及其載荷特性分析37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 雙饋風電機組機電聯(lián)合仿真模型的整體結構37-39
• 3.3 風電機組空氣和結構動力模型39-44
• 3.3.1 基于TurbSim的風速模型39-41
• 3.3.2 基于AeroDyn的空氣動力模型41-42
• 3.3.3 基于FAST的柔性機械結構動力模型42-44
• 3.4 雙饋發(fā)電機電磁暫態(tài)及控制模型44-49
• 3.4.1 雙饋發(fā)電機電磁暫態(tài)模型44-45
• 3.4.2 網(wǎng)側變流器控制策略45-47
• 3.4.3 機側變流器控制策略47-49
• 3.5 雙饋風電機組機電聯(lián)合模型的仿真及驗證49-56
• 3.5.1 不同變槳驅動系統(tǒng)模型下風電機組載荷特性的仿真比較49-52
• 3.5.2 不同雙饋發(fā)電機系統(tǒng)模型下風電機組載荷特性的仿真比較52-54
• 3.5.3 雙饋風電機組機電聯(lián)合仿真模型與實測數(shù)據(jù)比較54-56
• 3.6 小結56-59
• 4 風電機組諧波載荷特性分析及其比例-諧振獨立變槳抑制策略59-79
• 4.1 引言59-60
• 4.2 風電機組的諧波載荷特性分析60-63
• 4.3 抑制諧波載荷的比例-諧振獨立變槳策略及其性能分析63-71
• 4.3.1 抑制諧波載荷的比例-諧振獨立變槳策略63-64
• 4.3.2 控制系統(tǒng)的線性化模型64-65
• 4.3.3 控制器參數(shù)設計及其性能分析65-71
• 4.4 抑制諧波載荷的比例-諧振獨立變槳策略性能仿真驗證71-76
• 4.4.1 等值疲勞載荷介紹71-72
• 4.4.2 風電機組諧波載荷特性分析與比較72-75
• 4.4.3 風電機組運行特性分析與比較75-76
• 4.5 小結76-79
• 5 葉輪不平衡風電機組的載荷特性分析及其抑制策略79-99
• 5.1 引言79-80
• 5.2 葉輪不平衡風電機組的載荷特性分析80-84
• 5.2.1 葉輪不平衡風電機組的載荷特性分析80-82
• 5.2.2 葉輪不平衡風電機組載荷特性分析的仿真驗證82-84
• 5.3 抑制不平衡載荷的變槳控制策略及其控制器參數(shù)設計84-92
• 5.3.1 抑制不平衡載荷的變槳控制策略84-87
• 5.3.2 控制系統(tǒng)的科爾曼變換模型及其耦合特性分析87-89
• 5.3.3 解耦控制器及主控制器設計89-92
• 5.4 抑制葉輪不平衡載荷的變槳控制策略性能仿真驗證92-97
• 5.4.1 風電機組載荷特性分析與比較93-96
• 5.4.2 風電機組運行特性分析與比較96-97
• 5.5 小結97-99
• 6 風電機組傳動鏈扭振特性分析及其載荷抑制策略99-119
• 6.1 引言99-100
• 6.2 風電機組傳動鏈扭振特性分析100-102
• 6.3 基于帶通濾波器的傳統(tǒng)傳動鏈阻尼控制策略及其性能分析102-106
• 6.3.1 基于帶通濾波器的傳統(tǒng)傳動鏈阻尼控制策略103-104
• 6.3.2 基于帶通濾波器的傳統(tǒng)傳動鏈阻尼控制策略的性能分析104-106
• 6.4 抑制傳動鏈扭振載荷的模型預測阻尼控制策略106-112
• 6.4.1 傳動鏈模型預測阻尼控制器設計107-110
• 6.4.2 傳動鏈模型預測阻尼控制策略的性能分析110-112
• 6.5 傳動鏈模型預測阻尼控制策略的性能仿真驗證112-116
• 6.6 小結116-119
• 7 結論及展望119-123
• 致謝123-125
• 參考文獻125-135
• 附錄135-137
• A. 雙饋風電機組參數(shù)135-136
• A.1 電動變槳實驗系統(tǒng)和模型參數(shù)135-136
• A.2 NREL WP 1.5-MW風電機組參數(shù)136
• B. 作者在攻讀博士學位期間取得的主要成果136-137
• B.1 已發(fā)表或錄用的主要學術論文136-137
• B.2 承擔和參與的主要科研項目137

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