大型風(fēng)機(jī)異步變槳技術(shù)的研究.pdf

1、統(tǒng)一變槳距風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的假定前提是整個風(fēng)輪掃掠面內(nèi)風(fēng)速分布是均勻的。在實(shí)際風(fēng)場中，由于風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和湍流的影響，槳葉在不同位置的風(fēng)速各不相同，在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)的不同位置所受的升力不同，即風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中存在額外阻力，產(chǎn)生的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩持續(xù)變化，影響風(fēng)力機(jī)的輸出功率以及電能質(zhì)量，還造成槳葉和風(fēng)輪上的載荷不平衡，引起槳葉的拍打振動和扭矩波動。扭矩的波動將引起作用在風(fēng)輪主軸、傳動鏈、輪轂、偏航軸承和塔架上的扭矩負(fù)載波動，帶來風(fēng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度、振動、疲

2、勞壽命和電能質(zhì)量等方面的問題。本論文著重針對風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和湍流影響下的統(tǒng)一槳距角給定、風(fēng)速的建模、大型風(fēng)機(jī)的氣動建模、風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模擬、異步變槳控制策略及異步變槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。
　　 首先，針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率受風(fēng)速隨機(jī)性影響的問題，提出了一種基于模糊切換的前饋模糊與Fuzzy-PID相結(jié)合的統(tǒng)一槳距角給定的變槳控制策略，并在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的統(tǒng)一變槳控制系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明采用該控制策略的統(tǒng)一變槳

3、控制器比常規(guī)PID變槳控制器和Fuzzy-PID變槳控制器具有更好抗擾動能力，動、靜態(tài)性能有很大的提高，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。同時，基于模糊切換的前饋模糊與Fuzzy-PID相結(jié)合的統(tǒng)一槳距角給定，為異步變槳控制系統(tǒng)的優(yōu)越性比較提供了參照。
　　 常規(guī)風(fēng)輪模型中的統(tǒng)一槳距角與風(fēng)機(jī)氣動載荷的影響相互耦合，不能分離出風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和湍流對單個槳葉上的氣動載荷、風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率及其并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動影響。本文針對忽略葉尖損失

4、和輪轂損失、槳葉數(shù)無窮大的假設(shè)以及槳葉根部和葉尖部的葉素所受力矩差別巨大，提出一種新型的大型風(fēng)機(jī)的氣動建模方法，基于該方法計(jì)算風(fēng)機(jī)在風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和湍流等氣動不平衡因素下所受氣動載荷，推導(dǎo)出風(fēng)輪氣動載荷的影響規(guī)律，為基于異步變槳的風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型提供基礎(chǔ)以及給異步變槳控制策略提供理論指導(dǎo)，解決了統(tǒng)一槳距角與風(fēng)機(jī)氣動載荷的耦合問題。建立了虛擬風(fēng)場和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模擬的實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了風(fēng)輪模型的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性，為進(jìn)一步研究異步變槳技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

5、
　　 針對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動，本文通過對單個槳葉和風(fēng)輪的載荷進(jìn)行分析，首次提出一種新型的基于擺振力矩的異步變槳控制策略，直接減少槳葉上的力矩波動以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動等。在建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對多段動態(tài)權(quán)系數(shù)分配和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID兩種異步變槳控制策略進(jìn)行比較，仿真證明了基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID的異步變槳控制策略對于擺振力矩的波動和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動的減少具有更好的控制效果。另外，為了同時減少風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動和風(fēng)輪上不平衡載荷，本

6、文在基于揮舞力矩的異步變槳控制上，提出了一種基于擺振力矩和揮舞力矩反饋的異步變槳控制策略，即在統(tǒng)一槳距角給定的基礎(chǔ)上，通過權(quán)系數(shù)優(yōu)化擺振的槳距角偏差和揮舞的槳距角偏差，將其之和作為每個槳葉的槳距角給定，并在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的異步變槳控制系統(tǒng)對該異步變槳控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明基于擺振力矩和揮舞力矩的異步變槳控制系統(tǒng)不僅對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動的控制效果較好，而且對風(fēng)輪上的不平衡載荷也具有很好的抑制作用。
　　 針對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和傳動

7、軸扭矩的難以檢測的問題，提出了一種基于電功率的傳動鏈扭矩逆向估算方法。首先通過實(shí)際測量風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及定子電流電壓求得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，然后根據(jù)建立的傳動鏈扭矩計(jì)算的逆模型，逆向推算出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和傳動軸的扭矩，最后通過仿真驗(yàn)證風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和傳動軸扭矩的觀測技術(shù)的正確性。
　　 最后對異步變槳系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了異步變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具體計(jì)算了槳葉的變槳載荷，設(shè)計(jì)了電伺服驅(qū)動控制器，建立了電伺服變槳距的硬件和軟件系統(tǒng)，其