基于独立变桨距的风电机组减振控制技术

【摘要】：风能是解决能源问题的有效手段之一,水平轴风力机的容量在持续增大,直观的体现就是桨叶变长,风轮面增大。正常运行中的风力机,其桨叶对风场进行旋转采样,因此风切变等引起的风轮不对称载荷以及由此激起的桨叶和塔架的振动问题非常突出。风力机桨叶上的周期挥舞气动载荷严重影响风电机组的可靠性和寿命,独立变桨距控制是解决这一问题的重要技术之一。控制器根据传感器信号来协调控制每个桨叶的变桨距角,进而改变桨叶上的气动载荷,最终消除风轮的不对称载荷并抑制桨叶的振动。针对风力机的挥舞周期气动载荷与振动问题,本文研究了独立变桨距控制的相关理论并设计了控制器。首先从空气动力学、结构动力学的角度概述了风力机的控制建模原理,介绍了实际分析设计过程用到的建模与仿真软件FAST。然后从系统整体运行的角度研究了风力机的功率控制过程,包括建模、设计与仿真。其中发电机转矩控制采用了查询表法,集中变桨距控制采用了变增益法,保证了整个运行区域内的功率控制目标。对功率控制下的风力机桨叶弯矩与振动信号进行频谱分析,数据表明其主要频率成分为风轮旋转频率的倍数,而风切变系数会改变周期信号的幅值。最后从减小桨叶挥舞周期载荷及抑制桨叶挥舞受迫振动的角度研究了风力机独立变桨距控制技术。根据风力机固有的周期性以及耦合振动特性引入多桨叶坐标变换,指出风轮载荷以及振动的不对称性,而风切变会加剧这种不对称性。建立了风力机桨叶-塔架耦合振动模型并通过多桨叶坐标变换进行振动解耦。以功率控制器为基础,分析并设计了两种桨叶挥舞载荷输出反馈独立变桨距控制方案。通过MATLAB与FAST的交互式仿真,本文比较了集中变桨距控制以及两种独立变桨距控制方案下的载荷消减与振动抑制的效果,把挥舞周期载荷信号分解到多层基底下,并针对分解后的信号进行反馈调节,可以简化稳态风速下的控制器设计并取得良好的控制效果,在动态风速下也具有良好的应用价值。 【关键词】：风力机 独立变桨距控制 周期气动载荷 多桨叶坐标变换 风切变
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 风电技术的发展10-11
• 1.3 变桨距控制技术研究现状11-14
• 1.3.1 国内研究现状11-12
• 1.3.2 国外研究现状12-14
• 1.3.3 研究现状综述14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 第2章 风力机控制建模原理16-26
• 2.1 风力机空气动力学基础16-21
• 2.1.1 理想风力机一维动量理论16-17
• 2.1.2 叶素理论17-19
• 2.1.3 叶素动量理论19
• 2.1.4 风特性19-21
• 2.2 风力机结构动力学基础21-24
• 2.2.1 风电机组结构及振动特性21-22
• 2.2.2 振动过程及建模原理22-23
• 2.2.3 柔性体振动模态23
• 2.2.4 风力机坐标系统23-24
• 2.3 风力机建模与仿真软件24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 功率控制研究与振动数据分析26-43
• 3.1 风力机控制概述26-27
• 3.2 功率控制模型27-29
• 3.2.1 风轮气动模型27-28
• 3.2.2 齿轮箱旋转机械模型28-29
• 3.3 功率控制设计29-32
• 3.3.1 发电机转矩控制29-30
• 3.3.2 集中变桨距控制30-32
• 3.4 参数整定与控制仿真32-37
• 3.4.1 FAST线性化数据32-34
• 3.4.2 查询表与变增益设计34-37
• 3.5 全域仿真与振动数据分析37-42
• 3.5.1 仿真模型37-38
• 3.5.2 仿真结果38-39
• 3.5.3 载荷及振动数据分析39-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 风力机振动与载荷控制研究43-65
• 4.1 风力机坐标系统分析43-45
• 4.1.1 多桨叶坐标变换43-44
• 4.1.2 变量的多桨叶坐标变换分析44-45
• 4.2 简化的结构振动与气动载荷模型45-48
• 4.2.1 桨叶-塔架耦合振动45-47
• 4.2.2 气动载荷模型47-48
• 4.3 振动过程的控制建模48-51
• 4.3.1 多桨叶坐标变换振动解耦48-49
• 4.3.2 FAST数值模型49-51
• 4.4 独立变桨距控制方案51-54
• 4.4.1 第一种独立变桨距控制51-53
• 4.4.2 第二种独立变桨距控制53-54
• 4.5 控制器设计与仿真54-64
• 4.5.1 稳态风速下的控制与仿真55-58
• 4.5.2 FAST线性化数据58-60
• 4.5.3 湍流风速下的控制与仿真60-64
• 4.6 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70

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