多兆瓦风电机组独立变桨系统控制策略的研究与应用

【摘要】：随着多兆瓦风电机组叶轮尺寸的增大，风剪切、塔影效应和湍流风况等因素共同作用下造成的叶轮载荷不对称影响加剧，机组各部件疲劳载荷增加明显。因此，用于降低机组载荷的独立变桨控制技术得到迅速发展。本文将从变桨技术理论、独立变桨控制系统仿真模型建立、独立变桨系统控制策略和软件平台仿真几个方面对独立变桨控制技术进行研究。主要内容如下： （1）针对风电机组模型高度非线性而难于快速准确的建立控制模型的问题，本文提出基于Matlab与Bladed平台联合建立多兆瓦风电机组气动模型的方法。通过使用Bladed气动模块快速计算出翼型气动特性参数并结合空气动力学理论在Matlab中建立叶轮气动控制模型。结合叶轮模型及其他子模型建立整机模型，对建立的整机模型进行了额定风速以下的转速—扭矩控制仿真和额定风速以上的传统变桨控制仿真。结果证明了Bladed与Matlab联合建模的正确性与快速性。 （2）根据空气动力学理论，分析了风剪切、塔影效应及湍流风况对机组造成的载荷不对称及剧烈波动问题。根据分析结果使用Bladed平台建立符合IEC规范的湍流风速模型。分析机组在不同风速区域的运行特性和相关的影响因素，提出采用基于叶片根部载荷反馈的独立变桨距控制方式来降低叶片及其他部件的载荷。 （3）基于d-q坐标变换理论将3个叶根载荷解耦为2个相互独立的量，根据经典控制理论建立基于叶根载荷反馈控制的独立变桨距控制器，实现机组独立变桨控制。将独立变桨控制程序编译后写入Bladed外部控制器，并进行正常发电工况的仿真计算，对载荷—时间历程进行统计分析，结果表明，与采用基于PI的统一变桨距控制进行对比，采用独立变桨控制能明显降低机组各个部件的载荷，载荷波动也得到明显抑制。 【关键词】：多兆瓦风电机组 独立变桨系统 控制策略
【学位授予单位】：新疆农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-14
• 1.1 课题研究背景及意义7-9
• 1.1.1 课题研究背景7-8
• 1.1.2 课题研究意义8-9
• 1.2 变桨控制系统国内外的研究现状9-10
• 1.2.1 国外研究现状分析9
• 1.2.2 国内研究现状分析9-10
• 1.3 变桨控制面临问题10-11
• 1.4 课题研究内容与方法11-13
• 1.4.1 叶轮气动建模11-12
• 1.4.2 过渡区域平滑控制12
• 1.4.3 独立变桨系统控制算法设计12
• 1.4.4 独立变桨控制系统算法实现12-13
• 1.5 本章小结13-14
• 第2章 多兆瓦风电机组建模及控制研究14-30
• 2.1 风电机组控制系统概述14-15
• 2.2 风电机组控制系统实现目标15
• 2.3 风电机组控制系统建模15-20
• 2.3.1 叶轮气动模型16-18
• 2.3.2 传动系模型18-19
• 2.3.3 塔架模型19
• 2.3.4 变桨执行机构模型19-20
• 2.4 变桨控制系统概述20-21
• 2.5 风电机组控制策略研究与实现21-29
• 2.5.1 统一变桨控制策略研究21-23
• 2.5.2 转速-扭矩制器设计及仿真验证23-27
• 2.5.3 统一变桨控制器设计及仿真验证27-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 独立变桨系统控制策略的研究30-46
• 3.1 独立变桨控制系统概述30-31
• 3.2 控制策略分析31-33
• 3.2.1 低风速区控制策略分析31-32
• 3.2.2 过渡风速区控制策略分析32-33
• 3.2.3 高风速区控制策略分析33
• 3.3 独立变桨控制影响因素分析33-37
• 3.3.1 风剪切34
• 3.3.2 湍流效应34
• 3.3.3 塔影效应34-35
• 3.3.4 载荷测试传感器35-37
• 3.4 控制器设计37-45
• 3.4.1 载荷反馈控制简述37-38
• 3.4.2 计算附加桨距角38-41
• 3.4.3 建立独立变桨距控制器41-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 独立变桨控制器设计及仿真分析46-62
• 4.1 系统仿真条件46-48
• 4.1.1 仿真机组模型参数46
• 4.1.2 确定机组适用风区46-47
• 4.1.3 Bladed 仿真平台设置47-48
• 4.2 系统仿真结果分析48-61
• 4.2.1 变桨距系统响应仿真48-49
• 4.2.2 叶片载荷分析49-52
• 4.2.3 轮毂载荷分析52-56
• 4.2.4 塔架载荷分析56-58
• 4.2.5 偏航载荷分析58-60
• 4.2.6 机舱稳定性分析60-61
• 4.3 本章小结61-62
• 第5章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-67
• 作者简介67

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