兆瓦级风电机组变桨距控制技术研究

【摘要】：燃烧化石能源而造成的环境污染问题日益严峻，为了实现可持续发展，我国正在大力发展可再生能源。风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，受到了人们的亲睐，我国的风电产业也得到了快速的发展。风电产业的核心是风电技术。本文以国产的兆瓦级风电机组HTWY-1500为研究对象，对风力机变桨距控制技术进行了深入的研究。 首先，本文基于风力机桨叶的空气动力学特性，对变桨距的原理进行了描述与分析，对风和风力机的各组成部分进行建模分析。 其次，针对桨距角变化对于功率控制的非线性，提出了一种基于增益调度的PID变桨控制策略。增益调度控制策略提供了一套控制参数的更新机制，根据变桨角度对PID控制器的增益进行更新，使输出功率稳定在额定功率附近。仿真研究表明，与传统PID控制策略相比，采用带增益调度PID控制策略的输出功率更稳定，功率超调量更小，鲁棒性更强。 再次，为了减小风轮叶片上的不平衡载荷，分别采用了方位角反馈和载荷反馈两种独立变桨距控制策略，并进行了仿真研究。分析了由于风切变和塔影效应对风速分布的影响，并通过仿真验证了只采用集中变桨控制对风力机输出功率和桨叶弯矩产生的影响，讨论了叶片产生不平衡负载的原因及其危害，建立了风轮二维平面内的风速分布。基于方位角反馈的独立变桨策略根据风轮叶片所处的方位进行风速预估来改变桨距角；基于载荷反馈的独立变桨策略则根据叶片弯矩与平均计算模型的差值大小来实时调整桨距角。通过仿真结果表明，两种策略都能够有效的减小叶片的不平衡载荷，尤其是基于载荷反馈的独立变桨距控制具有更好的效果，并且在减小风轮的俯仰载荷和偏航载荷方面作用明显，且抵御随机风速的能力更强。 最后，根据两种独立变桨距控制策略分别编写DLL控制器，采用Bladed软件进行仿真验证，得出所设计的控制策略能满足控制系统要求，从而验证了本文提出的理论及方法是可行及有效的。 【关键词】：风电机组 集中变桨 独立变桨 方位角反馈 载荷反馈
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315;TK83
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 课题研究的背景13-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 国内外风电产业的发展14
• 1.2.2 风电控制技术的发展14-15
• 1.2.3 变桨距控制技术的发展15-16
• 1.3 本文的主要内容16-18
• 第二章 变桨距风力机系统建模18-29
• 2.1 风机的空气动力学18-21
• 2.1.1 叶素理论18-19
• 2.1.2 风能计算19
• 2.1.3 风能利用系数与贝兹极限19-21
• 2.2 变桨距执行机构21-22
• 2.2.1 液压变桨执行机构21
• 2.2.2 电动变桨执行机构21-22
• 2.3 风力机各部分建模22-28
• 2.3.1 风速建模22-24
• 2.3.2 风轮建模24-26
• 2.3.3 传动链建模26-27
• 2.3.4 发电机建模27
• 2.3.5 变桨距机构建模27-28
• 2.3.6 传感器建模28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 加入增益调度的集中变桨控制与仿真29-39
• 3.1 变桨距控制原理介绍29-30
• 3.2 PID 集中变桨距控制器设计30-35
• 3.2.1 PID 控制技术简介30-31
• 3.2.2 集中变桨距控制策略31-33
• 3.2.3 PID 集中变桨控制仿真33-35
• 3.3 加入增益调度的 PID 集中变桨距控制器设计35-36
• 3.4 加入增益调度的 PID 变桨控制仿真及结果分析36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 基于方位角反馈的独立变桨控制与仿真39-56
• 4.1 风切变和塔影效应对风力机影响39-41
• 4.2 减小风力机叶片不平衡载荷的意义41-42
• 4.3 基于方位角反馈的独立变桨控制器设计42-45
• 4.4 基于方位角反馈的独立变桨控制仿真45-47
• 4.5 基于方位角反馈的独立变桨控制的 Bladed 仿真验证47-55
• 4.5.1 Bladed 软件风力机设计模块描述47-49
• 4.5.2 Bladed 外部控制器的设计49-52
• 4.5.3 PID 控制器离散化52
• 4.5.4 基于 Bladed 的仿真分析52-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 基于载荷反馈的独立变桨控制与仿真56-65
• 5.1 基于载荷反馈的独立变桨控制器的设计56-58
• 5.1.1 d-q 变换56-57
• 5.1.2 基于载荷反馈的独立变桨控制器设计57-58
• 5.2 基于载荷反馈的独立变桨控制 MATLAB 仿真58-60
• 5.3 基于载荷反馈的独立变桨控制的 Bladed 仿真验证60-62
• 5.4 两种独立变桨算法的仿真结果分析62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 全文总结65
• 6.2 展望65-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文71-72
• 附录72-73

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