大型雙饋風電機組動態(tài)載荷控制策略研究

【摘要】：隨著風力發(fā)電技術和產業(yè)的迅速發(fā)展,風電機組單機容量不斷增大,葉片、傳動系統(tǒng)和塔架等主要部件的柔性顯著增加,機組運行過程中所受的動態(tài)載荷越來越復雜。通過控制策略減小風電機組動態(tài)載荷已成為風力發(fā)電領域的一個研究熱點。本文以國家科技支撐計劃重大專項“適應海、陸環(huán)境的雙饋式變速恒頻風電機組的研制”課題為依托,以3MW雙饋變速恒頻風電機組為對象,對動態(tài)載荷控制策略進行了深入的研究。目的是通過葉片槳距角和發(fā)電機轉矩控制減小機組運行過程中所受的動態(tài)載荷,重點解決風電機組無法準確建模、強外部擾動給動態(tài)載荷控制帶來的問題。主要研究工作歸納如下： 基于對風電機組運行過程中所受動態(tài)載荷及其特性的研究分析,提出了一種雙環(huán)結構風電機組動態(tài)載荷控制策略。為了在確保發(fā)電量的前提下,通過控制策略減小風電機組運行過程中的動態(tài)載荷,在發(fā)電機轉矩控制和變槳距控制的基礎上分別疊加了動態(tài)載荷控制環(huán),以變槳距系統(tǒng)、變流器為作動器通過減小葉片受力不平衡和抑制振動減小風輪、塔架和傳動系統(tǒng)的動態(tài)載荷。 研究了以變槳距系統(tǒng)為作動器的風輪不平衡載荷和塔架頂部載荷主動控制方法。針對風速空間分布、風速變化及風輪流固耦合無法準確建模的問題,提出了基于泛模型的風輪動態(tài)載荷自適應控制策略。該方法不依賴于風輪的精準數學模型,且能較好的解決三個葉片槳距角和風輪動態(tài)載荷的非線性耦合、載荷測量引起的時滯等問題。仿真結果表明,基于泛模型的風輪動態(tài)載荷自適應控制能明顯減小風輪不平衡載荷、抑制風輪和塔架的耦合振動,減小塔架頂部載荷。 研究了以變流器為作動器的傳動系統(tǒng)扭轉載荷主動控制方法。針對齒輪彈性形變、齒輪嚙合誤差、柔性聯(lián)軸器彈性形變等不確定因素導致的參數動態(tài)變化問題,建立了考慮不確定因素作用的傳動系統(tǒng)集中參數模型,并以此為基礎提出了傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制策略。采用擴張狀態(tài)觀測器將傳動系統(tǒng)內部不確定因素作用和外部擾動歸結為總擾動進行動態(tài)估計,并在狀態(tài)誤差反饋中進行補償,提高了控制器對系統(tǒng)內部不確定因素和外部干擾的魯棒性。仿真結果表明,傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制策略能夠明顯抑制傳動系統(tǒng)扭矩波動,減小扭轉載荷。 對動態(tài)載荷控制策略進行了試驗驗證。構建了3Mw風電機組控制系統(tǒng)半實物測試平臺,通過模擬典型風電場風況對動態(tài)載荷控制策略進行了試驗研究。試驗結果進一步驗證了本文所應用的控制算法和提出的動態(tài)載荷控制策略在減小風電機組動態(tài)載荷方面是可行且有效的。 【關鍵詞】：風能 變速風電機組 動態(tài)載荷控制 泛模型 擴張狀戀觀測器
【學位授予單位】：沈陽工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 課題的研究背景、目標和意義12-15
• 1.1.1 課題的研究背景12-14
• 1.1.2 課題的來源及研究目標14
• 1.1.3 課題的意義14-15
• 1.2 風電機組及其動態(tài)載荷控制綜述15-21
• 1.2.1 風電機組及其控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢15-17
• 1.2.2 風電機組控制相關的控制算法分析17-19
• 1.2.3 風電機組動態(tài)載荷控制的研究現狀19-21
• 1.3 本文擬解決的主要問題21-22
• 1.4 論文主要內容22-25
• 第二章 風電機組動態(tài)載荷及其主動控制策略25-48
• 2.1 風電機組的載荷及其影響因素25-29
• 2.2 風電機組控制策略及其對動態(tài)載荷的影響29-31
• 2.3 風輪動態(tài)載荷模型分析31-39
• 2.3.1 基于葉素動量理論的風輪動態(tài)載荷模型32-34
• 2.3.2 風輪動態(tài)載荷計算修正研究34-39
• 2.4 傳動系統(tǒng)扭轉載荷模型分析39-44
• 2.4.1 傳動系統(tǒng)扭轉動力學模型39-41
• 2.4.2 傳動系統(tǒng)模型中的非線性不確定因素分析41-44
• 2.5 風電機組動態(tài)載荷主動控制44-46
• 2.5.1 動態(tài)載荷主動控制及作動器的確定44-45
• 2.5.2 風電機組動態(tài)載荷主動控制策略45-46
• 2.6 本章小結46-48
• 第三章 基于泛模型的風輪動態(tài)載荷自適應控制48-76
• 3.1 泛模型及非線性系統(tǒng)動態(tài)線性化48-50
• 3.2 基于泛模型的自適應控制器設計50-54
• 3.2.1 泛模型特征變量估計器設計50-52
• 3.2.2 對稱相似結構自適應控制器設計52-53
• 3.2.3 風輪動態(tài)載荷自適應控制器性能分析53-54
• 3.3 風輪動態(tài)載荷自適應控制策略研究54-64
• 3.3.1 風輪動態(tài)載荷辨識55-60
• 3.3.2 風輪不平衡載荷自適應控制策略60-63
• 3.3.3 風輪軸向推力波動抑制及塔頂動態(tài)載荷自適應控制策略63-64
• 3.4 典型工況風輪動態(tài)載荷控制仿真研究64-75
• 3.4.1 仿真條件確定64-66
• 3.4.2 風輪不平衡載荷控制仿真研究66-71
• 3.4.3 風輪軸向推力波動抑制和塔頂動態(tài)載荷控制仿真研究71-75
• 3.5 本章小結75-76
• 第四章 基于擴張狀態(tài)觀測器的傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制76-94
• 4.1 非線性不確定系統(tǒng)及其自抗擾控制76-78
• 4.2 風電機組傳動系統(tǒng)扭轉載荷控制策略研究78-82
• 4.2.1 考慮不確定因素的傳動系統(tǒng)動力學模型構建78-80
• 4.2.2 傳動系統(tǒng)扭轉載荷的確定80-81
• 4.2.3 傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制策略81-82
• 4.3 傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制器設計82-88
• 4.3.1 扭轉載荷控制跟蹤微分器的確定82-83
• 4.3.2 基于ESO的傳動系統(tǒng)扭轉載荷觀測器設計83-86
• 4.3.3 發(fā)電機轉矩非線性狀態(tài)誤差反饋控制器設計86-87
• 4.3.4 傳動系統(tǒng)扭轉載荷自抗擾控制器性能分析87-88
• 4.4 典型工況傳動系統(tǒng)扭轉載荷控制仿真研究88-93
• 4.4.1 階躍陣風工況仿真研究88-91
• 4.4.2 極端連續(xù)陣風工況仿真研究91-93
• 4.5 本章小結93-94
• 第五章 風電機組動態(tài)載荷控制試驗研究94-113
• 5.1 3MW雙饋風電機組控制系統(tǒng)半實物測試臺構建94-96
• 5.2 典型風電場自然風況模擬研究96-100
• 5.3 風電機組動態(tài)載荷控制策略試驗研究100-111
• 5.3.1 風輪動態(tài)載荷控制試驗研究100-106
• 5.3.2 傳動系統(tǒng)扭轉載荷控制試驗研究106-111
• 5.4 本章小結111-113
• 第六章 結論與展望113-115
• 6.1 結論113-114
• 6.2 前景和展望114-115
• 參考文獻115-120
• 附錄A SUT-3000主要參數列表120-121
• 在學研究成果121-123
• 致謝123

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