风电机组动态载荷特性及主动抑制策略研究

【摘要】：风力发电是发展最快也是当前最具潜力、可大规模应用的可再生能源发电方式之一。风电机组受随机风、风切变和塔影效应、外部电网扰动等因素影响,加之其大型化发展带来的叶片、塔筒、传动轴等部件柔性大、阻尼小的特点,导致风电机组所承受的动态载荷不断增加且异常复杂。研究风电机组的动态载荷特性及其主动控制策略,对提高其安全可靠运行能力具有重要的理论和实际应用价值。论文以双馈风电机组为研究对象,围绕风电机组的动态载荷特性涉及的建模与控制,深入开展其机电联合仿真模型以及抑制风电机组叶片、塔筒和传动链等关键部件动态载荷控制策略的研究,主要工作及取得的成果如下:①为了提高风电机组载荷仿真计算速度以及对变桨控制策略进行优化设计,针对电动变桨驱动系统的传统简化模型不能很好地反映风电机组动态载荷特性的问题,论文提出一种考虑电动变桨驱动系统动态特性的改进简化传递函数模型。首先,基于电动变桨驱动系统的感应电动机电压方程和控制策略,建立其详细传递函数模型;其次,通过传递函数等效、传递函数框图化简和灵敏度分析等方法,推导并建立考虑其动态特性的改进简化传递函数模型;最后,为了验证改进简化模型在风电机组载荷仿真和变桨控制设计方面的有效性,论文对其频域特性及其对变桨控制系统稳定性的影响进行分析,并将其与传统一阶惯性环节模型以及实际电动变桨驱动系统样机测试结果进行比较。②鉴于现有风电机组载荷仿真模型很少考虑电气系统动态对机组动态载荷特性影响的问题,论文提出并建立基于不同仿真平台的双馈风电机组机电联合仿真模型。在风电机组的机械结构方面建立风速、空气动力和机械动力模型,在电气系统方面建立详细的双馈发电机及其控制策略模型。综合变桨驱动系统的改进简化传递函数模型和机组的其他子系统模型,基于Turb Sim、Aero Dyn、FAST及Matlab/Simulink四种软件/程序,建立适合动态载荷特性分析的双馈风电机组机电联合仿真模型。最后,为了验证所建联合仿真模型在风电机组载荷特性分析方面的有效性,对不同电动变桨驱动系统简化模型以及不同发电机模型下的机组载荷特性进行仿真比较,并和某样机的实测载荷数据进行对比。③针对叶轮扫略面内风速不均衡导致的风电机组谐波载荷问题,论文分析了其谐波载荷特性,借鉴电气系统谐波抑制思想,提出一种基于比例-谐振(PR)独立变桨的风电机组谐波载荷抑制策略。首先,分析叶根弯矩谐波载荷对轮毂载荷的影响规律及其抑制机理。其次,为了使PR独立变桨控制策略更具鲁棒性,建立了周期时变叶片系统的平均线性化模型,对控制策略中的PR控制器参数进行设计;为减少叶片柔性和变桨驱动系统动态引起的控制系统相位偏移,也对控制策略中的相位补偿器参数进行分析。最后,对所提独立控制策略在系统参数周期时变情况下的稳定性进行探讨,并就其谐波载荷抑制效果与常规统一变桨控制策略进行仿真比较。④针对叶片安装角误差可能导致的风电机组不平衡载荷问题,论文分析了叶轮不平衡风电机组的载荷特性,并提出一种基于解耦科尔曼变换的不平衡载荷抑制的变桨控制策略。首先,分析并仿真验证叶轮不平衡情况下机组的载荷特性及变化规律。其次,针对叶片和变桨驱动系统的传统科尔曼变换模型存在的变量耦合,利用前馈补偿方法设计控制策略的解耦控制器;并利用单输入单输出理论对其主控制器参数进行分析。最后,对基于解耦科尔曼变换的变桨控制策略的稳定性、不平衡载荷的跟踪控制能力以及叶轮转速变化的适应性进行频域分析,并就其不平衡载荷抑制效果进行仿真验证。⑤针对双馈风电机组传动链自身阻尼小,易受扭振载荷影响的问题,论文分析了风电机组传动链的扭振特性,并基于模型预测控制(MPC)理论,提出一种抑制传动链扭振载荷的阻尼控制策略。首先,通过推导传动链的不同传递函数模型,对其扭振特性进行频域分析。其次,考虑传动链系统参数的不确定性,对论文提出的传动链MPC阻尼控制策略的预测模型、预测误差校正、优化目标函数进行设计。最后,以基于带通滤波器的传统传动链阻尼控制策略作为比较对象,对MPC阻尼控制策略在传动链参数改变情况下的阻尼控制性能进行零极点分析,并对其在电网故障下的传动链扭振载荷抑制效果进行仿真验证。上述研究成果对分析风电机组载荷特性,降低风电机组叶片、塔筒和传动链等关键部件的动态载荷,并提高风电机组安全可靠性具有重要的实用价值,也为大型风电机组载荷抑制策略的研发奠定理论基础和决策支持。 【关键词】：风电机组 机电联合仿真模型 载荷抑制 变桨控制 转矩控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 课题背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状分析12-18
• 1.2.1 风电机组建模及载荷分析的研究现状12-15
• 1.2.2 风电机组载荷主动控制的研究现状15-18
• 1.3 本文的研究内容18-21
• 2 电动变桨驱动系统的改进简化传递函数模型21-37
• 2.1 引言21
• 2.2 电动变桨驱动系统的动态数学模型21-24
• 2.3 电动变桨驱动系统的改进简化传递函数模型及其频域特性分析24-32
• 2.3.1 电动变桨驱动系统的详细传递函数模型24-26
• 2.3.2 电动变桨驱动系统改进简化传递函数模型的推导26-30
• 2.3.3 电动变桨驱动系统改进简化传递函数模型的频域特性分析30-32
• 2.4 改进简化传递函数模型的样机测试和仿真验证32-34
• 2.4.1 负载扰动下的动态特性验证33
• 2.4.2 给定时变桨距角信号下的动态性能验证33-34
• 2.5 小结34-37
• 3 双馈风电机组机电联合仿真模型及其载荷特性分析37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 双馈风电机组机电联合仿真模型的整体结构37-39
• 3.3 风电机组空气和结构动力模型39-44
• 3.3.1 基于TurbSim的风速模型39-41
• 3.3.2 基于AeroDyn的空气动力模型41-42
• 3.3.3 基于FAST的柔性机械结构动力模型42-44
• 3.4 双馈发电机电磁暂态及控制模型44-49
• 3.4.1 双馈发电机电磁暂态模型44-45
• 3.4.2 网侧变流器控制策略45-47
• 3.4.3 机侧变流器控制策略47-49
• 3.5 双馈风电机组机电联合模型的仿真及验证49-56
• 3.5.1 不同变桨驱动系统模型下风电机组载荷特性的仿真比较49-52
• 3.5.2 不同双馈发电机系统模型下风电机组载荷特性的仿真比较52-54
• 3.5.3 双馈风电机组机电联合仿真模型与实测数据比较54-56
• 3.6 小结56-59
• 4 风电机组谐波载荷特性分析及其比例-谐振独立变桨抑制策略59-79
• 4.1 引言59-60
• 4.2 风电机组的谐波载荷特性分析60-63
• 4.3 抑制谐波载荷的比例-谐振独立变桨策略及其性能分析63-71
• 4.3.1 抑制谐波载荷的比例-谐振独立变桨策略63-64
• 4.3.2 控制系统的线性化模型64-65
• 4.3.3 控制器参数设计及其性能分析65-71
• 4.4 抑制谐波载荷的比例-谐振独立变桨策略性能仿真验证71-76
• 4.4.1 等值疲劳载荷介绍71-72
• 4.4.2 风电机组谐波载荷特性分析与比较72-75
• 4.4.3 风电机组运行特性分析与比较75-76
• 4.5 小结76-79
• 5 叶轮不平衡风电机组的载荷特性分析及其抑制策略79-99
• 5.1 引言79-80
• 5.2 叶轮不平衡风电机组的载荷特性分析80-84
• 5.2.1 叶轮不平衡风电机组的载荷特性分析80-82
• 5.2.2 叶轮不平衡风电机组载荷特性分析的仿真验证82-84
• 5.3 抑制不平衡载荷的变桨控制策略及其控制器参数设计84-92
• 5.3.1 抑制不平衡载荷的变桨控制策略84-87
• 5.3.2 控制系统的科尔曼变换模型及其耦合特性分析87-89
• 5.3.3 解耦控制器及主控制器设计89-92
• 5.4 抑制叶轮不平衡载荷的变桨控制策略性能仿真验证92-97
• 5.4.1 风电机组载荷特性分析与比较93-96
• 5.4.2 风电机组运行特性分析与比较96-97
• 5.5 小结97-99
• 6 风电机组传动链扭振特性分析及其载荷抑制策略99-119
• 6.1 引言99-100
• 6.2 风电机组传动链扭振特性分析100-102
• 6.3 基于带通滤波器的传统传动链阻尼控制策略及其性能分析102-106
• 6.3.1 基于带通滤波器的传统传动链阻尼控制策略103-104
• 6.3.2 基于带通滤波器的传统传动链阻尼控制策略的性能分析104-106
• 6.4 抑制传动链扭振载荷的模型预测阻尼控制策略106-112
• 6.4.1 传动链模型预测阻尼控制器设计107-110
• 6.4.2 传动链模型预测阻尼控制策略的性能分析110-112
• 6.5 传动链模型预测阻尼控制策略的性能仿真验证112-116
• 6.6 小结116-119
• 7 结论及展望119-123
• 致谢123-125
• 参考文献125-135
• 附录135-137
• A. 双馈风电机组参数135-136
• A.1 电动变桨实验系统和模型参数135-136
• A.2 NREL WP 1.5-MW风电机组参数136
• B. 作者在攻读博士学位期间取得的主要成果136-137
• B.1 已发表或录用的主要学术论文136-137
• B.2 承担和参与的主要科研项目137

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