大型风电机组变桨距无模型控制研究

【摘要】：随着环境问题成为全球关注的热点，世界风力发电技术的迅速发展，风电机组单机容量不断增大，变桨距风电机组成为风电机组市场的主流机型。通过变桨距稳定发电机功率输出和减小机组动态载荷已成为大型风电机组研究的难点和关键。本文以3MW双馈变桨距风电机组为研究对象，对统一变桨距和独立变桨距控制策略进行深入研究，目的是减小风电机组运行中的不平衡载荷，稳定风电机组的输出功率。 首先，本文在广泛查阅国内外的相关文献的基础上，介绍了目前国内外关于风电机组变桨距控制系统的发展现状以及一些具有代表性的控制方法。阐述了风电机组的工作原理以及数学模型，并分析了研究变桨距控制系统研究的重要性和必要性。 其次，基于风电机组空气动力学理论，建立风电机组各部分子系统的数学模型，分析风电机组的输出功率和承受载荷与风速之间的关系，提出基于功率偏差的无模型统一变桨距控制方法，解决风电机组的输出功率不稳定和承受载荷方面较大的问题。基于无模型控制理论，进行统一变桨距控制器设计。与传统应用的PID统一变桨距控制器比较，在Matlab/Simulink中进行仿真试验，验证系统方案的有效性。仿真结果表明，基于功率偏差的无模型统一变桨距能稳定功率输出及较好的减低机组载荷。 再次，针对风电机组具有很强的非线性和扰动特点，为了更好的改善风电机组承受气动载荷和保证功率输出稳定，在无模型统一变桨距的基础上提出基于叶根载荷测量的无模型独立变桨距控制策略，设计独立变桨距控制器，其不依赖于风轮的精准数学模型，较好的解决了风轮动态载荷的非线性耦合和载荷测量时滞问题。 为了验证本文提出的无模型独立变桨距控制器的有效性，以3MW双馈变桨距风电机组为对象，通过Bladed仿真试验，并与PID独立变桨距控制器对比。仿真结果表明，无模型独立变桨距控制器能有效减低风电机组承受的不平衡载荷，验证了控制策略的可行性和有效性。 【关键词】：风电机组 变桨距控制 无模型控制 坐标变换
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 风力发电技术发展现状11-12
• 1.2.1 国外风电发展现状11-12
• 1.2.2 国内风电发展现状12
• 1.3 风电机组变桨距控制技术12-15
• 1.3.1 风电机组变桨距概述12-13
• 1.3.2 风电机组变桨距控制策略13-15
• 1.4 本文的主要研究内容15-16
• 第二章 风电机组变桨距控制原理16-29
• 2.1 风力机的空气动力学理论16-21
• 2.1.1 风能的计算公式16
• 2.1.2 叶素动量理论16-19
• 2.1.3 贝兹理论和风能利用系数19-21
• 2.2 风电机组风速特性分析21-23
• 2.2.1 风切变效应22
• 2.2.2 塔影效应22-23
• 2.3 风电机组变桨距控制原理23-28
• 2.3.1 风电机组统一变桨距控制24-26
• 2.3.2 风电机组独立变桨距控制26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 风电机组无模型统一变桨距控制29-43
• 3.1 无模型控制的选取29-30
• 3.2 无模型控制方法30-35
• 3.2.1 泛模型与特征参量30-32
• 3.2.2 无模型控制律32-34
• 3.2.3 伪偏导数算法34-35
• 3.2.4 无模型控制算法的得出35
• 3.3 法结构图无模型控算35-37
• 3.4 无模型控制方法分析37
• 3.5 PID 控制37-38
• 3.6 无模型控制在统一变桨距中的仿真分析38-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第四章 基于叶根载荷反馈的无模型独立变桨距控制研究43-54
• 4.1 独立变桨距控制系统43-44
• 4.2 叶根载荷反馈原理44-48
• 4.3 无模型独立变桨距控制器设计48-50
• 4.4 无模型控制在独立变桨距中的仿真分析50-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 结论与展望54-56
• 5.1 结论54-55
• 5.2 展望55-56
• 参考文献56-59
• 在学研究成果59-60
• 致谢60

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