風電系統(tǒng)主傳動鏈的載荷復現與功率平滑.pdf

1、本文以風電系統(tǒng)主傳動鏈為研究對象，針對主傳動鏈的五自由度載荷測試和額定風速以上時主傳動鏈功率穩(wěn)定性控制的實際需要，提出并研究了主傳動鏈的五自由度載荷復現和功率平滑控制的新技術。論文的主要研究內容可分為如下兩部分:
　　風電系統(tǒng)主傳動鏈的五自由度載荷復現技術
　　第2章建立了風電系統(tǒng)的槳葉和輪轂坐標系，定義了主傳動鏈五自由度載荷模型，并給出了主傳動鏈五自由度載荷復現的原理和方案。首先，基于所搭建的旋轉的槳葉坐標系和靜止的輪轂坐

2、標系，構建了主傳動鏈五自由度載荷模型，包括三個正交方向的力分量和兩個正交方向的彎矩分量。然后，提出了主傳動鏈五自由度載荷復現的整體方案，將風輪等效成加載質量盤和主傳動軸，并沿該盤的軸向和徑向均布若干電液力加載器，通過控制各加載器的輸出力來合成并再現五自由度載荷譜。同時，在滿足質量和轉動慣量等特性等價的基礎之上，采用動態(tài)軟慣量補償和改進的粒子群優(yōu)化算法，以風輪等效模型的結構和體積的盡量精簡和最小化作為精度優(yōu)化指標，在設計參數約束域內進行大

3、范圍的尋優(yōu)以獲得風輪等效模型（如主傳動軸和加載盤）的最佳設計值。在此基礎上，提出了基于附加虛擬載荷的矩陣式載荷分解與合成策略以及分組歸類式的載荷分解與合成策略，以有效地獲得各電液加載作動器的參考加載力。
　　第3章構建了典型的右軸向單位加載器的機理模型，研究了其加載力動態(tài)特性并設計了相應的加載力反演控制器。典型的電液力加載作動器采用零開口四邊滑閥控制非對稱單出桿液壓缸的形式。首先，從整體上，分析并建立了該電液力加載作動器的線性化加

4、載力控制模型，并基于該線性化模型，采用比例積分控制器，分析研究了加載器的時域和頻域動態(tài)特性，研究了主要液壓參數對加載力動態(tài)特性的影響。在此基礎上，考慮更多的非線性動態(tài)特性的細節(jié)，推導獲得更加完善的加載器非線性模型，并針對該非線性模型，設計了相應的加載力反演控制器，以增強高頻率、大幅值載荷波動情況下加載力控制的穩(wěn)定性和載荷跟蹤的精度。
　　第4章設計了單腔加載作動器，并研究了其加載力控制特性。分別提出并設計了內壓力反饋式和旁通壓力閥

5、控式的單腔加載器，以便針對單個加載油腔進行直接的加載力控制。分別構建了兩種加載器的機理模型和狀態(tài)空間模型，并針對旁通壓力閥控式加載器，設計了魯棒H∞控制器和魯棒H∞濾波器，以降低其加載力控制的穩(wěn)態(tài)誤差，提高其加載力控制的精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力。在此基礎上，對比研究了兩種單腔加載器在加載力控制時的動態(tài)特性，對比分析了魯棒H∞控制與常規(guī)的比例積分控制在加載力控制的精度和穩(wěn)定性等方面的差異。
　　第5章研究、設計并研制了某100kW風

6、電機組的電液加載系統(tǒng)，給出了相關的設計、制造的細節(jié)，并進行了五自由度載荷復現的實驗研究。該電液加載系統(tǒng)用于實時地復現100kW風電機組的五自由度載荷，并主要由機械結構部分、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等構成。在設計、加工并組裝成該電液加載系統(tǒng)的樣機之后，設計了五自由度載荷復現的現場實驗方案，并分別針對單位加載器和五自由度載荷復現進行了相應的實驗研究。風電系統(tǒng)主傳動鏈的功率平滑控制技術
　　第6章針對風電機組變槳距的實際特點，提出了基于比例閥

7、控馬達和電液數字馬達變槳距系統(tǒng)的主傳動鏈功率平滑控制技術。設計了比例閥控馬達變槳距控制系統(tǒng)，闡述了變槳距控制的基本原理，并設計了電液行星錐齒馬達變槳距機構，構建了系統(tǒng)變槳距控制的機理模型。為消除變槳距過程中的不確定性和干擾的影響，設計了自適應滑模變槳距控制器。同時，提出了電液數字馬達變槳距控制技術，設計電液數字馬達獨立變槳距系統(tǒng)，進行了變槳距系統(tǒng)的參數設計和機理建模分析，并采用軟件形式的前饋補償方法以提高槳距角的跟蹤控制的精度。為驗證所

8、提出的兩種系統(tǒng)在變槳距控制的精度和主傳動鏈功率穩(wěn)定性控制等方面的性能，設計了額定功率為1.5MW的變速變槳距風電機組對比仿真模型，并進行了對比性的仿真實驗研究。
　　第7章提出并研究了基于無級增速的風電系統(tǒng)主傳動鏈功率平滑控制技術。首先，設計了該無級增速型傳動鏈，分析了該型傳動鏈的轉矩傳遞特性、變速比和傳動效率，并基于粒子群優(yōu)化算法進行傳動鏈參數匹配的多目標最優(yōu)化設計。然后，構建了該型傳動鏈系統(tǒng)各主要部件的等效數學模型，并進行了詳