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大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究

作　者: 张纯明
导　师: 姚兴佳
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 大型风电机组独立变桨距控制桨距角反馈线性化 LPV模型参考自适应半实物实验平台
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着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,风机变速变桨控制已经成为世界风电发展的主流。尤其是通过独立变桨控制来稳定发电机功率输出和减小机组动态载荷的控制策略更成为当前大型风电机组研发的关键。本文以国家科技部重大支撑专项“适应海、陆环境的双馈式变速恒频风电机组的研制”课题为依托,以3MW双馈变速恒频风力发电机组独立变桨距控制系统为研究对象,对独立变桨控制策略进行深入研究,进一步减小大型风电机组运行中的不平衡载荷,稳定发电机的功率输出。主要研究内容如下:首先,基于风机变桨控制理论和独立变桨控制模型,研究了基于叶根载荷坐标变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略。在变速变桨距风机空气动力学和独立变桨运行原理基础上,深入分析了独立变桨控制的机构设置、风机风速特性和风机运行的动态载荷等问题,推导出独立变桨反馈线性化控制模型,设计出基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略。该控制策略通过实时检测每个叶片的叶根载荷,以此来反映叶片和机组因风速变化引起的不平衡载荷,利用Coleman坐标变换理论将叶根载荷变换为桨距角反馈调节量,对风机桨叶进行单独控制。控制的主要目标是实时跟踪响应风速的变化,通过桨距角反馈调节,提高大型风电机组独立变桨系统的稳定性和快速性,减小由风切变、塔影效应和随机湍流等对机组造成的不平衡载荷。通过计算机仿真,结果表明:基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略,能够快速响应风速的变化,实时调节风机桨叶,系统具有较强的稳定性和快速性,对减小风电机组的不平衡载荷效果明显。其次,研究设计了基于3MW风电机组线性参数变化(LPV)模型参考自适应的独立变桨系统整机控制策略。针对大型风电机组多输入、多输出的非线性耦合和独立变桨引起的附加控制载荷影响,应用线性参数变化LPV理论对风电机组风能转换系统多变量控制进行线性化,建立了风电机组独立变桨控制系统线性参数变化LPV模型。该模型以可测参数的缓慢变化来实时反应机组风能转换过程中的非线性,可以有效模拟风电机组的实际运行状况。以此,采用模型参考自适应控制理论设计出基于风电机组LPV模型参考自适应的独立变桨整机控制策略。通过对LPV模型参考自适应独立变桨控制和PI独立变桨控制计算机仿真比较,结果表明,采取LPV模型参考自适应控制的独立变桨系统输出转矩脉动相对平缓,幅值变化小,发电机输出功率稳定,传动系统的震动较小,输出效率较大,相对PI控制更具有优越性。最后,为了验证上述独立变桨控制的策略和仿真结果,设计了3MW双馈变速恒频风力发电机组独立变桨距半实物实验测试平台。通过对风电场和风机风况的实际模拟对独立变桨控制策略进行了试验研究。半实物实验平台中风电机组运行控制系统、电动变桨距执行机构、传感系统都是实物,而其它如风轮、塔架、发电机等都用GH公司的Bladed仿真软件来模拟,整个半实物实验台相当于一台独立变桨距风机。实验结果进一步验证了本文所研究的大型风电机组独立变桨控制策略的可行性和有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
符号列表  11-13
第一章绪论  13-29
  1.1 课题研究的背景及意义  13-15
  1.2 国内外风力发电技术发展  15-17
  1.3 风力发电机组桨距控制技术  17-26
    1.3.1 风电机组桨距调节方式  17-19
    1.3.2 风电机组变桨变速控制策略  19-22
    1.3.3 风电机组独立变桨距控制综述  22-26
  1.4 论文研究的主要内容  26-29
第二章风力机变桨距控制基本理论  29-47
  2.1 风机空气动力学理论  29-35
    2.1.1 叶素理论  29-32
    2.1.2 风能计算  32
    2.1.3 贝兹理论和风能利用系数  32-35
  2.2 风机气动振动分析  35-39
    2.2.1 风切变效应  35-36
    2.2.2 塔影效应  36-37
    2.2.3 风机振动分析  37-39
  2.3 风力机变桨控制原理  39-46
    2.3.1 风机统一变桨控制  39-43
    2.3.2 风机独立变桨控制  43-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略研究  47-69
  3.1 基于叶根载荷变换桨距角反馈变桨控制原理  47-55
    3.1.1 叶根载荷变换桨距角反馈变桨控制思想  47-48
    3.1.2 叶根载荷变换桨距角反馈给定计算  48-53
    3.1.3 叶根载荷变换桨距角独立变桨运行分析  53-55
  3.2 基于桨距角反馈线性化控制器设计  55-63
    3.2.1 基于Lyapnov稳定的反馈线性化控制理论  55-56
    3.2.2 独立变桨距系统驱动机构模型  56-57
    3.2.3 基于桨距角反馈线性化的独立变桨控制器设计  57-60
    3.2.4 基于桨距角反馈线性化的独立变桨系统稳定性分析  60-63
  3.3 系统仿真与结果分析  63-68
  3.4 本章小结  68-69
第四章基于风电机组LPV模型参考自适应独立变桨整机控制策略研究  69-94
  4.1 线性参数变化系统  69-74
    4.1.1 LPV理论对非线性系统的描述  70-72
    4.1.2 变桨风电机组风能转换系统模型  72-74
  4.2 模型参考自适应控制  74-80
    4.2.1 自适应控制理论与应用  74-75
    4.2.2 模型参考自适应系统（MRAC）  75-80
  4.3 基于LPV模型参考自适应独立变桨距控制  80-88
    4.3.1 独立变桨距控制系统LPV系统模型  80-81
    4.3.2 基于风电机组LPV模型参考自适应设计  81-84
    4.3.3 独立变桨LPV模型波波夫超稳定自适应设计  84-88
  4.4 系统仿真与结果分析  88-93
  4.5 本章小结  93-94
第五章 3MW风电机组独立变桨控制策略半实物仿真实验  94-111
  5.1 独立变桨控制系统构建  94-96
  5.2 独立变桨驱动力矩和伺服电机选择  96-99
  5.3 典型风电场自然风况模拟  99-100
  5.4 独立变桨控制系统半实物仿真平台设计  100-102
  5.5 实验与结果分析  102-109
  5.6 本章小结  109-111
第六章结论  111-113
参考文献  113-118
附录 3MW双馈风力发电机组参数  118-119
在学期间研究成果  119-120
致谢  120

大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究

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