大型双馈风电机组动态载荷控制策略研究

【摘要】：随着风力发电技术和产业的迅速发展,风电机组单机容量不断增大,叶片、传动系统和塔架等主要部件的柔性显著增加,机组运行过程中所受的动态载荷越来越复杂。通过控制策略减小风电机组动态载荷已成为风力发电领域的一个研究热点。本文以国家科技支撑计划重大专项“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双馈变速恒频风电机组为对象,对动态载荷控制策略进行了深入的研究。目的是通过叶片桨距角和发电机转矩控制减小机组运行过程中所受的动态载荷,重点解决风电机组无法准确建模、强外部扰动给动态载荷控制带来的问题。主要研究工作归纳如下： 基于对风电机组运行过程中所受动态载荷及其特性的研究分析,提出了一种双环结构风电机组动态载荷控制策略。为了在确保发电量的前提下,通过控制策略减小风电机组运行过程中的动态载荷,在发电机转矩控制和变桨距控制的基础上分别叠加了动态载荷控制环,以变桨距系统、变流器为作动器通过减小叶片受力不平衡和抑制振动减小风轮、塔架和传动系统的动态载荷。 研究了以变桨距系统为作动器的风轮不平衡载荷和塔架顶部载荷主动控制方法。针对风速空间分布、风速变化及风轮流固耦合无法准确建模的问题,提出了基于泛模型的风轮动态载荷自适应控制策略。该方法不依赖于风轮的精准数学模型,且能较好的解决三个叶片桨距角和风轮动态载荷的非线性耦合、载荷测量引起的时滞等问题。仿真结果表明,基于泛模型的风轮动态载荷自适应控制能明显减小风轮不平衡载荷、抑制风轮和塔架的耦合振动,减小塔架顶部载荷。 研究了以变流器为作动器的传动系统扭转载荷主动控制方法。针对齿轮弹性形变、齿轮啮合误差、柔性联轴器弹性形变等不确定因素导致的参数动态变化问题,建立了考虑不确定因素作用的传动系统集中参数模型,并以此为基础提出了传动系统扭转载荷自抗扰控制策略。采用扩张状态观测器将传动系统内部不确定因素作用和外部扰动归结为总扰动进行动态估计,并在状态误差反馈中进行补偿,提高了控制器对系统内部不确定因素和外部干扰的鲁棒性。仿真结果表明,传动系统扭转载荷自抗扰控制策略能够明显抑制传动系统扭矩波动,减小扭转载荷。 对动态载荷控制策略进行了试验验证。构建了3Mw风电机组控制系统半实物测试平台,通过模拟典型风电场风况对动态载荷控制策略进行了试验研究。试验结果进一步验证了本文所应用的控制算法和提出的动态载荷控制策略在减小风电机组动态载荷方面是可行且有效的。 【关键词】：风能 变速风电机组 动态载荷控制 泛模型 扩张状恋观测器
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 课题的研究背景、目标和意义12-15
• 1.1.1 课题的研究背景12-14
• 1.1.2 课题的来源及研究目标14
• 1.1.3 课题的意义14-15
• 1.2 风电机组及其动态载荷控制综述15-21
• 1.2.1 风电机组及其控制系统的发展趋势15-17
• 1.2.2 风电机组控制相关的控制算法分析17-19
• 1.2.3 风电机组动态载荷控制的研究现状19-21
• 1.3 本文拟解决的主要问题21-22
• 1.4 论文主要内容22-25
• 第二章 风电机组动态载荷及其主动控制策略25-48
• 2.1 风电机组的载荷及其影响因素25-29
• 2.2 风电机组控制策略及其对动态载荷的影响29-31
• 2.3 风轮动态载荷模型分析31-39
• 2.3.1 基于叶素动量理论的风轮动态载荷模型32-34
• 2.3.2 风轮动态载荷计算修正研究34-39
• 2.4 传动系统扭转载荷模型分析39-44
• 2.4.1 传动系统扭转动力学模型39-41
• 2.4.2 传动系统模型中的非线性不确定因素分析41-44
• 2.5 风电机组动态载荷主动控制44-46
• 2.5.1 动态载荷主动控制及作动器的确定44-45
• 2.5.2 风电机组动态载荷主动控制策略45-46
• 2.6 本章小结46-48
• 第三章 基于泛模型的风轮动态载荷自适应控制48-76
• 3.1 泛模型及非线性系统动态线性化48-50
• 3.2 基于泛模型的自适应控制器设计50-54
• 3.2.1 泛模型特征变量估计器设计50-52
• 3.2.2 对称相似结构自适应控制器设计52-53
• 3.2.3 风轮动态载荷自适应控制器性能分析53-54
• 3.3 风轮动态载荷自适应控制策略研究54-64
• 3.3.1 风轮动态载荷辨识55-60
• 3.3.2 风轮不平衡载荷自适应控制策略60-63
• 3.3.3 风轮轴向推力波动抑制及塔顶动态载荷自适应控制策略63-64
• 3.4 典型工况风轮动态载荷控制仿真研究64-75
• 3.4.1 仿真条件确定64-66
• 3.4.2 风轮不平衡载荷控制仿真研究66-71
• 3.4.3 风轮轴向推力波动抑制和塔顶动态载荷控制仿真研究71-75
• 3.5 本章小结75-76
• 第四章 基于扩张状态观测器的传动系统扭转载荷自抗扰控制76-94
• 4.1 非线性不确定系统及其自抗扰控制76-78
• 4.2 风电机组传动系统扭转载荷控制策略研究78-82
• 4.2.1 考虑不确定因素的传动系统动力学模型构建78-80
• 4.2.2 传动系统扭转载荷的确定80-81
• 4.2.3 传动系统扭转载荷自抗扰控制策略81-82
• 4.3 传动系统扭转载荷自抗扰控制器设计82-88
• 4.3.1 扭转载荷控制跟踪微分器的确定82-83
• 4.3.2 基于ESO的传动系统扭转载荷观测器设计83-86
• 4.3.3 发电机转矩非线性状态误差反馈控制器设计86-87
• 4.3.4 传动系统扭转载荷自抗扰控制器性能分析87-88
• 4.4 典型工况传动系统扭转载荷控制仿真研究88-93
• 4.4.1 阶跃阵风工况仿真研究88-91
• 4.4.2 极端连续阵风工况仿真研究91-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第五章 风电机组动态载荷控制试验研究94-113
• 5.1 3MW双馈风电机组控制系统半实物测试台构建94-96
• 5.2 典型风电场自然风况模拟研究96-100
• 5.3 风电机组动态载荷控制策略试验研究100-111
• 5.3.1 风轮动态载荷控制试验研究100-106
• 5.3.2 传动系统扭转载荷控制试验研究106-111
• 5.4 本章小结111-113
• 第六章 结论与展望113-115
• 6.1 结论113-114
• 6.2 前景和展望114-115
• 参考文献115-120
• 附录A SUT-3000主要参数列表120-121
• 在学研究成果121-123
• 致谢123

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