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变桨距风力发电机组的桨距控制方法研究
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风力发电机电动变桨距控制系统的优化研究.pdf44页
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河北工业大学硕士学位论文
风力发电机电动变桨距控制系统的优化研究
随着风电机组容量的不断增大，叶片越长，其实际风速与参考风速的误差也越大，叶
片载荷也随之增大，这些问题严重影响风电机组的使用寿命。因此研发安全可靠和高效率
的大型风电机组具有重要的现实意义。本文以 MW 级风电机组为依托，对大型风电机组电
动变桨距控制技术进行了较深入的研究。
本文首先简要分析了风电机组电动变桨距控制系统的机械传动部分和电气伺服部分，
并对其进行了载荷分析和计算。接着从风力机桨叶的空气动力学基本理论入手，分析出变
桨距控制原理，针对大型风电机组有效风速在风轮平面内分布不均匀问题进行了理论分析
和研究；基于 目前的变桨距控制方法，提出优化的独立变桨距控制方法解决这一问题，其
方法是：在风速超过额定风速时，先根据风速统一调节桨距角到预定值；再把统一变桨后
的输出功率偏差、偏差变化率作为输入量，基于模糊控制算法获得新的统一桨距角；最后
基于方位角权系数分配给每个桨距角，再次异步微调桨距角，实现风力机各桨叶的优化控
本文在 MATLAB/Simulink 中建立了风电机组各部分的数学模型，并基于该方法建立了
独立变桨距风电机组数学模型。由仿真结果可知，本文提出的方法有效的优化了风电机组
在额定风速以上的恒功率控制，其与统一变桨距控制相比较，其抗干扰能力强，控制精度
关键词：风电机组，统一变桨距，独立变桨距，模糊控制
正在加载中，请稍后...大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究--《沈阳工业大学》2011年博士论文
大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究
【摘要】：随着世界风力发电技术的迅速发展,风电机组单机容量不断增大,风机变速变桨控制已经成为世界风电发展的主流。尤其是通过独立变桨控制来稳定发电机功率输出和减小机组动态载荷的控制策略更成为当前大型风电机组研发的关键。本文以国家科技部重大支撑专项“适应海、陆环境的双馈式变速恒频风电机组的研制”课题为依托,以3MW双馈变速恒频风力发电机组独立变桨距控制系统为研究对象,对独立变桨控制策略进行深入研究,进一步减小大型风电机组运行中的不平衡载荷,稳定发电机的功率输出。主要研究内容如下:
首先,基于风机变桨控制理论和独立变桨控制模型,研究了基于叶根载荷坐标变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略。在变速变桨距风机空气动力学和独立变桨运行原理基础上,深入分析了独立变桨控制的机构设置、风机风速特性和风机运行的动态载荷等问题,推导出独立变桨反馈线性化控制模型,设计出基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略。该控制策略通过实时检测每个叶片的叶根载荷,以此来反映叶片和机组因风速变化引起的不平衡载荷,利用Coleman坐标变换理论将叶根载荷变换为桨距角反馈调节量,对风机桨叶进行单独控制。控制的主要目标是实时跟踪响应风速的变化,通过桨距角反馈调节,提高大型风电机组独立变桨系统的稳定性和快速性,减小由风切变、塔影效应和随机湍流等对机组造成的不平衡载荷。通过计算机仿真,结果表明:基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略,能够快速响应风速的变化,实时调节风机桨叶,系统具有较强的稳定性和快速性,对减小风电机组的不平衡载荷效果明显。
其次,研究设计了基于3MW风电机组线性参数变化(LPV)模型参考自适应的独立变桨系统整机控制策略。针对大型风电机组多输入、多输出的非线性耦合和独立变桨引起的附加控制载荷影响,应用线性参数变化LPV理论对风电机组风能转换系统多变量控制进行线性化,建立了风电机组独立变桨控制系统线性参数变化LPV模型。该模型以可测参数的缓慢变化来实时反应机组风能转换过程中的非线性,可以有效模拟风电机组的实际运行状况。以此,采用模型参考自适应控制理论设计出基于风电机组LPV模型参考自适应的独立变桨整机控制策略。通过对LPV模型参考自适应独立变桨控制和PI独立变桨控制计算机仿真比较,结果表明,采取LPV模型参考自适应控制的独立变桨系统输出转矩脉动相对平缓,幅值变化小,发电机输出功率稳定,传动系统的震动较小,输出效率较大,相对PI控制更具有优越性。
最后,为了验证上述独立变桨控制的策略和仿真结果,设计了3MW双馈变速恒频风力发电机组独立变桨距半实物实验测试平台。通过对风电场和风机风况的实际模拟对独立变桨控制策略进行了试验研究。半实物实验平台中风电机组运行控制系统、电动变桨距执行机构、传感系统都是实物,而其它如风轮、塔架、发电机等都用GH公司的Bladed仿真软件来模拟,整个半实物实验台相当于一台独立变桨距风机。实验结果进一步验证了本文所研究的大型风电机组独立变桨控制策略的可行性和有效性。
【关键词】：
【学位授予单位】：沈阳工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：TM315【目录】：
摘要5-7Abstract7-11符号列表11-13第一章 绪论13-29 1.1 课题研究的背景及意义13-15 1.2 国内外风力发电技术发展15-17 1.3 风力发电机组桨距控制技术17-26
1.3.1 风电机组桨距调节方式17-19
1.3.2 风电机组变桨变速控制策略19-22
1.3.3 风电机组独立变桨距控制综述22-26 1.4 论文研究的主要内容26-29第二章 风力机变桨距控制基本理论29-47 2.1 风机空气动力学理论29-35
2.1.1 叶素理论29-32
2.1.2 风能计算32
2.1.3 贝兹理论和风能利用系数32-35 2.2 风机气动振动分析35-39
2.2.1 风切变效应35-36
2.2.2 塔影效应36-37
2.2.3 风机振动分析37-39 2.3 风力机变桨控制原理39-46
2.3.1 风机统一变桨控制39-43
2.3.2 风机独立变桨控制43-46 2.4 本章小结46-47第三章 基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略研究47-69 3.1 基于叶根载荷变换桨距角反馈变桨控制原理47-55
3.1.1 叶根载荷变换桨距角反馈变桨控制思想47-48
3.1.2 叶根载荷变换桨距角反馈给定计算48-53
3.1.3 叶根载荷变换桨距角独立变桨运行分析53-55 3.2 基于桨距角反馈线性化控制器设计55-63
3.2.1 基于Lyapnov稳定的反馈线性化控制理论55-56
3.2.2 独立变桨距系统驱动机构模型56-57
3.2.3 基于桨距角反馈线性化的独立变桨控制器设计57-60
3.2.4 基于桨距角反馈线性化的独立变桨系统稳定性分析60-63 3.3 系统仿真与结果分析63-68 3.4 本章小结68-69第四章 基于风电机组LPV模型参考自适应独立变桨整机控制策略研究69-94 4.1 线性参数变化系统69-74
4.1.1 LPV理论对非线性系统的描述70-72
4.1.2 变桨风电机组风能转换系统模型72-74 4.2 模型参考自适应控制74-80
4.2.1 自适应控制理论与应用74-75
4.2.2 模型参考自适应系统（MRAC）75-80 4.3 基于LPV模型参考自适应独立变桨距控制80-88
4.3.1 独立变桨距控制系统LPV系统模型80-81
4.3.2 基于风电机组LPV模型参考自适应设计81-84
4.3.3 独立变桨LPV模型波波夫超稳定自适应设计84-88 4.4 系统仿真与结果分析88-93 4.5 本章小结93-94第五章 3MW风电机组独立变桨控制策略半实物仿真实验94-111 5.1 独立变桨控制系统构建94-96 5.2 独立变桨驱动力矩和伺服电机选择96-99 5.3 典型风电场自然风况模拟99-100 5.4 独立变桨控制系统半实物仿真平台设计100-102 5.5 实验与结果分析102-109 5.6 本章小结109-111第六章 结论111-113参考文献113-118附录 3MW双馈风力发电机组参数118-119在学期间研究成果119-120致谢120
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京公网安备74号变桨距风力发电机组的桨距控制方法研究--《华北电力大学（北京）》2008年硕士论文
变桨距风力发电机组的桨距控制方法研究
【摘要】：
本文在分析风力发电机组工作原理的基础上,对整个系统建立仿真模型。针对变桨距部分设计了传统PID控制器、模糊控制器和模糊自适应整定PID控制器,并在不同的风况下进行仿真。模糊控制器和模糊自适应整定PID控制器都属于智能控制器范畴。仿真结果表明,尽管PID控制器具有结构简单、稳定性好、可靠性高的优点,但这种方法过分依赖于控制对象的模型参数,鲁棒性差;与传统PID控制器相比,模糊控制器和模糊自适应整定PID控制器具有较好的稳定性和动态特性,尤其是在复杂的非线性系统或者是系统的数学模型不确定的情况下更是如此。
【关键词】：
【学位授予单位】：华北电力大学（北京）【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TM315【目录】：
ABSTRACT3-6
第一章 引言6-12
1.1 风——绿色能源6-7
1.2 世界风电发展7-9
1.2.1 国外风力发电的发展7-8
1.2.2 国内风力发电的发展状况8-9
1.3 风力发电技术研究现状9-10
1.3.1 国外风力发电技术研究现状9-10
1.3.2 国内风力发电技术研究现状10
1.4 课题选题背景及研究内容10-12
第二章 风力机控制理论研究12-20
2.1 风力机空气动力学12-15
2.1.1 风力发电机能量转化过程12-14
2.1.2 风力机特性系数14-15
2.2 风力机桨叶受力分析15-18
2.2.1 风轮在静止情况下叶片的受力分析16
2.2.2 风轮在转动情况下叶片的受力分析16-17
2.2.3 桨叶受力计算17-18
2.3 风力发电机组的主要控制方法18-20
2.3.1 定桨距控制18
2.3.2 变桨距控制18-20
第三章 变桨距风力发电机组的数学模型20-31
3.1 概述20-22
3.1.1 风速低于额定风速情况21-22
3.1.2 风速高于额定风速情况22
3.2 风力发电机组的模型22-25
3.2.1 风轮气动特性模型23
3.2.2 传动系统动态特性模型23-24
3.2.3 发电机模型24-25
3.3 系统模型25-27
3.4 PID控制器设计及仿真结果分析27-31
第四章 模糊控制基本理论及模糊控制器的设计31-48
4.1 模糊控制的基本概念及原理32-33
4.1.1 模糊控制的基本概念32
4.1.2 模糊控制的基本原理32-33
4.2 模糊控制器的设计33-41
4.2.1 确定控制量、被控制量并决定控制器的形式34-35
4.2.2 将精确量模糊化并建立模糊控制规则35-37
4.2.3 精确量和模糊量的相互转换37-39
4.2.4 论域、量化因子、比例因子的选择39-41
4.3 风力发电系统中的模糊控制器设计41-48
4.3.1 模糊控制器论域、量化因子的选择41-43
4.3.2 控制规则的设计43-44
4.3.3 MATLAB仿真及运行结果44-48
第五章 模糊自适应整定PID控制及控制器设计48-56
5.1 模糊自适应整定PID控制原理48-50
5.2 风力发电机组的模糊自适应整定PID控制器设计50-56
5.2.1 建立模糊控制规则50-51
5.2.2 隶属度函数的选择51-53
5.2.3 MATLAB仿真及运行结果53-56
第六章 结 论56-57
参考文献58-60
在学期间发表论文和参加科研情况60
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