風(fēng)電機(jī)組動態(tài)載荷特性及主動抑制策略研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電是發(fā)展最快也是當(dāng)前最具潛力、可大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源發(fā)電方式之一。風(fēng)電機(jī)組受隨機(jī)風(fēng)、風(fēng)切變和塔影效應(yīng)、外部電網(wǎng)擾動等因素影響，加之其大型化發(fā)展帶來的葉片、塔筒、傳動軸等部件柔性大、阻尼小的特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組所承受的動態(tài)載荷不斷增加且異常復(fù)雜。研究風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)載荷特性及其主動控制策略，對提高其安全可靠運(yùn)行能力具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。論文以雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對象，圍繞風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)載荷特性涉及的建模與控制，深入開展其機(jī)電聯(lián)合

2、仿真模型以及抑制風(fēng)電機(jī)組葉片、塔筒和傳動鏈等關(guān)鍵部件動態(tài)載荷控制策略的研究，主要工作及取得的成果如下：
　?、贋榱颂岣唢L(fēng)電機(jī)組載荷仿真計(jì)算速度以及對變槳控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對電動變槳驅(qū)動系統(tǒng)的傳統(tǒng)簡化模型不能很好地反映風(fēng)電機(jī)組動態(tài)載荷特性的問題，論文提出一種考慮電動變槳驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性的改進(jìn)簡化傳遞函數(shù)模型。首先，基于電動變槳驅(qū)動系統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)電壓方程和控制策略，建立其詳細(xì)傳遞函數(shù)模型；其次，通過傳遞函數(shù)等效、傳遞函數(shù)框圖化

3、簡和靈敏度分析等方法，推導(dǎo)并建立考慮其動態(tài)特性的改進(jìn)簡化傳遞函數(shù)模型；最后，為了驗(yàn)證改進(jìn)簡化模型在風(fēng)電機(jī)組載荷仿真和變槳控制設(shè)計(jì)方面的有效性，論文對其頻域特性及其對變槳控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，并將其與傳統(tǒng)一階慣性環(huán)節(jié)模型以及實(shí)際電動變槳驅(qū)動系統(tǒng)樣機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行比較。
　　②鑒于現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組載荷仿真模型很少考慮電氣系統(tǒng)動態(tài)對機(jī)組動態(tài)載荷特性影響的問題，論文提出并建立基于不同仿真平臺的雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)電聯(lián)合仿真模型。在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)

4、械結(jié)構(gòu)方面建立風(fēng)速、空氣動力和機(jī)械動力模型，在電氣系統(tǒng)方面建立詳細(xì)的雙饋發(fā)電機(jī)及其控制策略模型。綜合變槳驅(qū)動系統(tǒng)的改進(jìn)簡化傳遞函數(shù)模型和機(jī)組的其他子系統(tǒng)模型，基于 TurbSim、AeroDyn、FAST及Matlab/Simulink四種軟件/程序，建立適合動態(tài)載荷特性分析的雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)電聯(lián)合仿真模型。最后，為了驗(yàn)證所建聯(lián)合仿真模型在風(fēng)電機(jī)組載荷特性分析方面的有效性，對不同電動變槳驅(qū)動系統(tǒng)簡化模型以及不同發(fā)電機(jī)模型下的機(jī)組載荷特性進(jìn)

5、行仿真比較，并和某樣機(jī)的實(shí)測載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
　　③針對葉輪掃略面內(nèi)風(fēng)速不均衡導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組諧波載荷問題，論文分析了其諧波載荷特性，借鑒電氣系統(tǒng)諧波抑制思想，提出一種基于比例-諧振(PR)獨(dú)立變槳的風(fēng)電機(jī)組諧波載荷抑制策略。首先，分析葉根彎矩諧波載荷對輪轂載荷的影響規(guī)律及其抑制機(jī)理。其次，為了使PR獨(dú)立變槳控制策略更具魯棒性，建立了周期時(shí)變?nèi)~片系統(tǒng)的平均線性化模型，對控制策略中的PR控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；為減少葉片柔性和變槳驅(qū)動系

6、統(tǒng)動態(tài)引起的控制系統(tǒng)相位偏移，也對控制策略中的相位補(bǔ)償器參數(shù)進(jìn)行分析。最后，對所提獨(dú)立控制策略在系統(tǒng)參數(shù)周期時(shí)變情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行探討，并就其諧波載荷抑制效果與常規(guī)統(tǒng)一變槳控制策略進(jìn)行仿真比較。
　?、茚槍θ~片安裝角誤差可能導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組不平衡載荷問題，論文分析了葉輪不平衡風(fēng)電機(jī)組的載荷特性，并提出一種基于解耦科爾曼變換的不平衡載荷抑制的變槳控制策略。首先，分析并仿真驗(yàn)證葉輪不平衡情況下機(jī)組的載荷特性及變化規(guī)律。其次，針對葉片和變

7、槳驅(qū)動系統(tǒng)的傳統(tǒng)科爾曼變換模型存在的變量耦合，利用前饋補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)控制策略的解耦控制器；并利用單輸入單輸出理論對其主控制器參數(shù)進(jìn)行分析。最后，對基于解耦科爾曼變換的變槳控制策略的穩(wěn)定性、不平衡載荷的跟蹤控制能力以及葉輪轉(zhuǎn)速變化的適應(yīng)性進(jìn)行頻域分析，并就其不平衡載荷抑制效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　?、葆槍﹄p饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈自身阻尼小，易受扭振載荷影響的問題，論文分析了風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的扭振特性，并基于模型預(yù)測控制(MPC)理論，提出一種抑制

8、傳動鏈扭振載荷的阻尼控制策略。首先，通過推導(dǎo)傳動鏈的不同傳遞函數(shù)模型，對其扭振特性進(jìn)行頻域分析。其次，考慮傳動鏈系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，對論文提出的傳動鏈MPC阻尼控制策略的預(yù)測模型、預(yù)測誤差校正、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，以基于帶通濾波器的傳統(tǒng)傳動鏈阻尼控制策略作為比較對象，對MPC阻尼控制策略在傳動鏈參數(shù)改變情況下的阻尼控制性能進(jìn)行零極點(diǎn)分析，并對其在電網(wǎng)故障下的傳動鏈扭振載荷抑制效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　上述研究成果對分析風(fēng)電機(jī)