MW級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制技術(shù)研究

【摘要】：為了提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率的不斷增加，風(fēng)輪直徑也不斷增大，目前風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率已普遍達(dá)到1.5MW、2MW、3MW，并向5MW、6葉MW發(fā)展，葉片的長(zhǎng)度已經(jīng)增加到40～60m。由于風(fēng)電機(jī)組受到風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)等因素影響，會(huì)造成風(fēng)輪載荷的不均勻。隨著葉片的增大，風(fēng)輪載荷的不均勻加劇，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組俯仰彎矩和偏航彎矩等附加載荷也隨之增大。這些附加載荷會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞應(yīng)力，降低疲勞壽命。因此，如何通過(guò)獨(dú)立變槳控制有效降低風(fēng)電機(jī)組俯仰彎矩、偏航彎矩，以降低整機(jī)及關(guān)鍵零部件載荷是一個(gè)迫切需要解決的理論和技術(shù)問(wèn)題。 論文以MW級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制技術(shù)為研究對(duì)象，將載荷控制作為目標(biāo)，通過(guò)建立風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能計(jì)算模型和系統(tǒng)模型，對(duì)風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上的變槳控制及整機(jī)載荷減小等策略進(jìn)行了研究，提供了一個(gè)解決問(wèn)題的方法，并基于Matlab/simulink對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)模型和獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。 論文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)如下：第一章：闡述了課題的研究背景及研究意義，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的策略和算法進(jìn)行了歸納分析，在此基礎(chǔ)上給出了論文的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第二章：綜合考慮到各種修正因素，包括普朗特?fù)p失因子、誘導(dǎo)因子a值較大時(shí)的Glauert修正、風(fēng)剪切的影響、塔影效應(yīng)以及三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，對(duì)傳統(tǒng)葉素動(dòng)量理論進(jìn)行了改進(jìn)，建立風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能計(jì)算模型。通過(guò)Matlab/simulink搭建了該氣動(dòng)性能計(jì)算模型，計(jì)算出在不同風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和槳距角配置下的推力、功率和風(fēng)能利用系數(shù)，與傳統(tǒng)葉素動(dòng)量理論及風(fēng)電設(shè)計(jì)分析軟件Bladed計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的正確性和優(yōu)越性。 第三章：研究了風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)線性化模型，并基于多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論，建立了風(fēng)電機(jī)組線性時(shí)不變模型，最終計(jì)算出空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 第四章：研究了面向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)模型。依據(jù)仿真系統(tǒng)中模塊化設(shè)計(jì)思想，給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)和槳距系統(tǒng)功能模塊，并詳細(xì)介紹了它們的運(yùn)行特性，同時(shí)在Matlab/simulink中搭建了風(fēng)速模型。最終對(duì)基于槳葉方位角信號(hào)的獨(dú)立變槳控制和基于載荷反饋控制方案的獨(dú)立變槳技術(shù)進(jìn)行了仿真研究，首先將它們的仿真結(jié)果與統(tǒng)一變槳進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)兩種獨(dú)立變槳仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果表明：與同步變槳技術(shù)相比，采用載荷反饋控制方案的獨(dú)立變槳技術(shù)大大降低了風(fēng)輪俯仰和偏航載荷。 第五章：研究了基于風(fēng)速前饋及載荷反饋的獨(dú)立變槳控制技術(shù)，并對(duì)該混合控制策略進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：采用混合控制的獨(dú)立變槳技術(shù)能夠顯著降低俯仰載荷以及偏航載荷，且響應(yīng)速度較快。因此風(fēng)速前饋載荷反饋的控制方案在降低載荷方面兼有前饋與反饋的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期效果。 第六章：總結(jié)論文的主要研究成果，并給出了今后有待進(jìn)一步研究的工作和方向。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)電機(jī)組 葉素動(dòng)量理論 獨(dú)立變槳控制 混合控制
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM315
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 研究背景及意義9-11
• 1.1.1 研究背景9-10
• 1.1.2 研究目的和意義10-11
• 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)11-14
• 1.2.1 定槳距控制技術(shù)11-12
• 1.2.2 變槳距控制技術(shù)12
• 1.2.3 獨(dú)立槳距控制技術(shù)12-14
• 1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容14-17
• 2 風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)模型17-45
• 2.1 葉素動(dòng)量理論17-22
• 2.1.1 動(dòng)量理論17-20
• 2.1.2 葉素理論20-21
• 2.1.3 葉素動(dòng)量理論21-22
• 2.2 改進(jìn)葉素動(dòng)量理論22-33
• 2.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的建立22-24
• 2.2.2 計(jì)算相對(duì)速度24-25
• 2.2.3 載荷的計(jì)算25-26
• 2.2.4 計(jì)算誘導(dǎo)速度26-29
• 2.2.5 葉片的結(jié)構(gòu)和翼型數(shù)據(jù)29-30
• 2.2.6 風(fēng)剪切影響30-31
• 2.2.7 塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)速的影響31-32
• 2.2.8 三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響和 Snel 三維升力系數(shù)修正32
• 2.2.9 改進(jìn)葉素動(dòng)量理論的計(jì)算流程32-33
• 2.3 仿真及結(jié)果分析33-42
• 2.3.1 改進(jìn)葉素動(dòng)量理論與傳統(tǒng) BEM 模型計(jì)算值的對(duì)比35-37
• 2.3.2 風(fēng)剪切與塔影效應(yīng)仿真37-42
• 2.4 本章小結(jié)42-45
• 3 獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)建模45-55
• 3.1 建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)線性時(shí)變模型45-49
• 3.2 坐標(biāo)變換49-52
• 3.3 建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組線性時(shí)不變模型52
• 3.4 風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算52-54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 4 風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳系統(tǒng)的建模與研究55-75
• 4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建立55-58
• 4.1.1 發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)模型55-57
• 4.1.2 槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型57
• 4.1.3 變槳速率模型57-58
• 4.2 風(fēng)速模型58-62
• 4.3 濾波器模型62-63
• 4.4 基于槳葉方位信號(hào)的多段權(quán)系數(shù)獨(dú)立變槳控制器的建模63-68
• 4.5 基于葉片載荷的獨(dú)立變槳控制器的建模68-74
• 4.6 本章小結(jié)74-75
• 5 獨(dú)立變槳距技術(shù)仿真與分析75-83
• 5.1 基于風(fēng)速前饋的獨(dú)立變槳距技術(shù)研究與仿真75-77
• 5.1.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)75-76
• 5.1.2 前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)76-77
• 5.2 基于載荷反饋、風(fēng)速前饋的獨(dú)立變槳距技術(shù)研究與仿真77-81
• 5.2.1 前饋一反饋控制系統(tǒng)77
• 5.2.2 仿真77-81
• 5.3 本章小結(jié)81-83
• 6 結(jié)論與展望83-85
• 6.1 主要結(jié)論83-84
• 6.2 后續(xù)研究工作展望84-85
• 致謝85-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 附錄91
• A. 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文91
• B. 攻讀碩士學(xué)位期間參加的課題研究91

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基于模糊PI控制的獨(dú)立變槳控制技術(shù)的研究    李鋒

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)立變槳技術(shù)研究    李緩

變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)研究    王立軍

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合優(yōu)化選型方法研究    劉瑞軒

含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的網(wǎng)絡(luò)能量分布特征分析    劉苑紅

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究    王有珺

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制的物理模擬仿真    晁儲(chǔ)琰

1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液控技術(shù)研究    孫勇

兆瓦級(jí)變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組智能控制系統(tǒng)的研究    趙陽(yáng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷    張小科