基于载荷优化模型的风电独立变桨距控制的研究

【摘要】：论文主要探讨了在风机运行中风剪切效应造成的三个桨叶风速不一致导致的不平衡载荷问题。建立了风电变桨距控制系统的数学模型和数字仿真平台；依据空气动力学原理,设计了载荷优化模型,并计算该模型得到最优桨距角；按照一定的规则把整个风轮旋转周期划分为几个区域,对每个区域分别进行最优桨距角的计算,并以计算得到的最优桨距角为参考值,对三个桨叶分别进行变桨距控制,从而实现最优独立变桨距控制。本文首先介绍了风轮、发电机、传动机构以及变桨距机构等风电转换系统各个组成部分的数学模型,并据此在SIMUlink环境下搭建了风电转换系统变桨距控制的数字仿真平台,用于后续部分的仿真和计算。其次,介绍了风在自然界中的变化规律,着重介绍了对风速影响较大的因素——风剪切效应,以及其带来的不平衡受力问题。依据空气动力学原理的动量-叶素理论,结合微积分的概念把桨叶微分成叶素,对叶素进行受力分析并计算其载荷,再对叶素载荷进行积分进而得到整个桨叶的载荷。依据上述理论得到载荷公式的特点,本文设计了载荷优化模型来计算最优变桨距角。通过编写MATLAB程序计算桨叶所受的载荷以及捕获得到的功率,并用于各种情况下仿真对比分析。再次,分析了统一变桨距的控制方法,并在此基础上加入载荷优化模型对三个桨叶的桨距角进行计算,得到三个桨叶各自对应的桨距角,实现了独立变桨距控制,这就是本文提出的最优独立变桨距控制方法。最后,以风剪切效应下的风速为仿真风速,对本文提出的最优独立变桨距控制方法、传统的独立变桨距控制方法以及统一变桨距控制方法分别进行控制、计算及仿真。结果表明,本文提出的方法在保证输出功率在额定值附近的情况下,有效地减小了不平衡载荷,且无须变桨距继续频繁动作。 【关键词】：空气动力学原理 载荷优化模型 独立变桨距控制 最优变桨距角 不平衡载荷
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明9-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 引言11-15
• 1.1.1 变桨距控制技术的发展12-14
• 1.1.2 变速恒频风电机组的运行区域14-15
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-18
• 1.2.1 国内外研究现状15-17
• 1.2.2 发展趋势17-18
• 1.3 本文的意义、主要内容以及创新点18-20
• 1.3.1 本文的意义18
• 1.3.2 本文的主要工作18
• 1.3.3 创新点18-20
• 第二章 风电转换系统的数学模型20-28
• 2.1 风20-24
• 2.1.1 风剪切效应22-23
• 2.1.2 风剪切效应下的实时风速23-24
• 2.2 风电转换系统模型24-27
• 2.2.1 风力机数学模型24-26
• 2.2.2 发电系统模型26
• 2.2.3 传动系统模型26-27
• 2.2.4 变桨距控制系统模型27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 载荷优化模型的设计28-41
• 3.1 经典叶素理论28-36
• 3.1.1 动量理论28-32
• 3.1.2 叶素理论32-33
• 3.1.3 动量—叶素理论33-36
• 3.2 叶素载荷计算36-39
• 3.3 载荷优化模型39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 基于载荷优化模型的独立变桨距控制41-56
• 4.1 统一变桨距控制模型41-47
• 4.1.1 PID控制原理41-42
• 4.1.2 统一变桨距控制系统数字模型42-45
• 4.1.3 统一变桨距控制仿真结果分析45-47
• 4.2 基于权系数的独立变桨距控制方法47-49
• 4.2.1 独立变桨距控制模型47-48
• 4.2.2 基于权系数的独立变桨距控制模型48-49
• 4.2.3 基于权系数的独立变桨距控制仿真分析49
• 4.3 基于载荷优化模型的独立变桨距控制49-54
• 4.3.1 基于载荷优化模型的独立变桨距控制方法的模型49-51
• 4.3.2 基于载荷优化模型的独立变桨距控制的仿真分析51-53
• 4.3.3 IPCLO与IPCW仿真对比分析53-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 结论和展望56-58
• 5.1 论文总结56-57
• 5.2 研究展望57-58
• 参考文献58-61
• 附录61-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士期间发表论文情况66

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