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风力发电机组动力模型及循环变桨控制策略研究

卢奭瑄  
【摘要】:变桨距风力发电机组具备装机容量大、风电转换效率高、控制灵活等优点,现在已成为风力发电的主要发展方向。然而,风场内风速的强度和方向变化的不可预知性,给风力发电系统变桨控制带来了很大的困难。目前,国内外对风力发电系统变桨控制策略的研究多以系统转速的稳定为控制目标,研究主要集中在高风速区。由于风力发电机组单机装机容量越来越大,对机组变桨距控制的效果也提出了更高的要求:需要考虑大型叶片多种气动效应因素对风力发电系统转速的影响;变桨距控制器既要能够抑制系统扰动,还能够降低桨距角调节系统的疲劳程度等。针对这些大型风力发电机组变桨控制研究的热点问题,本文进行如下研究工作: 对变桨距风力发电机组气动特性数值模拟与分析方法进行研究。采用直接耦合解法克服了风轮气动载荷分析时,流体力学建模设计中迭代法在求解高维问题时计算量大、收敛速度慢的缺陷。应用Visual Fortran软件编制了相应的计算机程序,对实际算例进行仿真计算。数值模拟结果表明直接耦合解法比传统迭代方法的计算时间减少一半以上,验证了此数值计算方法在风力发电机组气动特性数值模拟中的有效性及可行性。 研究了风力发电系统结构特征和建模方法。为了准确描述系统传动链的动态过程,采用分析建模和实验验证相结合的方法,建立了大型风力发电系统的非线性数学模型。模型中所使用的风能利用系数利用最小二乘法对风力发电机组实验采样数据进行曲面拟合,并对拟合曲面进行线性化求解,提出一种辨识风力发电系统风能利用系数的方法。理论分析和实际算例验证表明该方法拟合的风能利用系数曲线具有较好的准确性,适合应用在不同风速条件下的风力发电系统建模和控制方法设计中。 研究了风力发电系统数学模型和变桨控制方法。针对控制过程中存在的系统部分参数不确定和随机风速扰动问题,设计了一种用于风力发电系统转速控制的桨距角鲁棒控制器。该桨距角鲁棒控制器设计基于定量反馈理论,与传统PID控制器相比,该方法工程实现非常简单,可以保证较大风速变化范围内风力发电机组的稳定性和输出功率控制所要求的动态性能,并且对风力发电系统中不确定参数的摄动影响具有较好的鲁棒性。 研究了风速变化与多种气动效应对风力发电机组的影响,提出了一种以实现风力发电系统转速稳定控制的循环变桨距控制策略。该策略结合了定量反馈鲁棒控制方法和重复控制方法,在实现系统转速稳定控制的同时,针对风力发电机组风轮与气流的气固耦合模型中部分气动效应对风力发电系统的影响,采用重复控制抑制风速扰动带来的周期性转速脉动。


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