大型风电机组变桨扰动抑制方法研究
发布时间：2021-01-13 13:02
经过多年的发展,风力发电技术在我国乃至世界上有了长足的进步。随着液压技术在风力发电行业中的应用,在大型风电机组中逐渐采用液压变桨。但是在液压变桨过程中产生的塔架前后震动会在一定程度上影响风电机组输出功率的稳定性,使风电机组接收到的来流速度与实际风轮处的风速不符,从而造成实际输出功率的偏差。同时液压变桨系统运作过程中,会产生未知延时,该延时还会给系统造成扰动,使风电机组的塔架前后震动信号相对于变桨信号有一定的延时,使风电机组的瞬态载荷增加,输出功率的稳定性下降。本文以国内某型号3MW风电机组为研究对象,对由液压变桨引起的塔架前后震动及其延时扰动进行了研究。主要研究内容如下:首先,对风电机组的基本原理进行分析,并基于此理论在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了由风速模型、发电机模型、风轮模型、变桨扰动模型组成的风电机组整机模型,为后续研究奠定了理论基础。其次,对风电机组的变桨和塔架前后震动进行了建模研究。推导并计算桨距角的变化值与塔架前后震动位移之间的传递函数,设计了统一变桨与独立变桨联合控制的变桨控制器,并将最终变桨信号输入到传递函数中得出理想无延时状态下的塔架前后震动位移,从...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国2018年-2019年风电新增装机容量和累计装机容量统计
沈阳工业大学硕士学位论文220世纪中期，中国风电的装机总量为零，新中国成立以来，国家对清洁能源的重视度逐渐提高，经过半个世纪的不懈努力，在2012年，中国的风电装机总量已经突破了6000万kW，成为世界风电第一大国。2015年，中国风电又实现了质的突破——装机总量突破了1亿kW，这也成为了中国风电行业发展的里程碑事件。我国国土资源辽阔，风资源丰富，这使得陆上风电在中国有良好的发展趋势。在欧洲，大多数国家国土面积较小，因此海上风电在欧洲国家也具有良好的发展前景。如图1.2所示，2019年，欧洲海上风力发电装机容量达到3623MW，新增装机容量3627MW，均创历史新高。英国、丹麦和比利时在2019年创造了国家安装记录。荷兰将首次安装海上风电机组，预计于2020年投入使用。截至2019年底，欧洲的海上风电累计容量达到22072MW。包括部分电网连接的地方，目前在12个欧洲国家有110个海上风电场和5047个并网风力涡轮机。可见规模浩大，趋势向好[9]。图1.22009至2019年欧洲海上风电装机总量统计Fig.1.2StatisticsoninstalledoffshorewindpowerinEuropefrom2009to2019为了满足日益增长的需求，风电机组的等级和尺寸都在不断扩大。然而，随着装机容量的不断上升，风电机组的维护成本也不断上升，风电机组的结构载荷变得更加突出，导致风能利用率降低，甚至是因为风电机组失效运行造成的人身伤亡事故。尤其是随着液压变桨技术的不断完善，与之而来的故障和延时问题也逐步进入研究人员的视野，因此，在不断提高风能利用率的同时，如何降低成本，延长风电机组寿命，也是风电机组课题研究的重点。1.2液压独立变桨研究现状基于风电机组变桨系统的驱动形式，现存于市场上有两种主流的变桨方式：液
态响应好和无需变速机构等优点[10]。而且电动变桨装置内部是由齿轮进行连接，齿轮产生的齿隙会导致齿轮的磨损和载荷的上升，从而使风电机组的寿命减短，而液压变桨的油缸执行速度明显比齿轮快，且占用空间较小，从而巧妙避开了这一弊端。同时，在失电时液压变桨将蓄压器作为备用动力源，可以对叶片进行全顺桨作业。电动变桨中如果调节桨距角过于频繁，其产生的热负荷会导致变桨系统的损坏[11]，这就使液压变桨系统逐渐凸显出了其自身具有的巨大优势和发展潜力，正在逐渐向着市场的主流方向发展。液压变桨系统的内部结构如图1.3所示，变桨控制系统将变桨信号给到液压驱动单元，液压缸带动推动杆和同步盘运动,同步盘通过短转轴、连杆和长转轴推动偏心盘转动,偏心盘带动桨叶进行变桨[12]。液压变桨系统定位精准、动态响应快，被很多大型风电机组采用，但是其也存在着一些问题，例如漏油、卡涩等机械故障问题；变桨执行机构相对复杂，使其本身具有明显的非线性问题，这就容易造成液压变桨系统本身的损坏，从而导致整个风电机组的故障。在近几年提出了应用冗余控制和在线监测技术[13]以避免液压变桨系统的非线性等问题引起的整机系统故障问题，这在一定程度上减缓了因液压变桨对风电机组造成的不利影响。图1.3液压变桨系统的内部结构Fig.1.3Internalstructureofhydraulicpitchcontrolsystem液压变桨日益完善，随之而来由于变桨产生的延迟也成为了一个不可忽视的问题。而延迟会给风电机组的独立变桨控制带来扰动，以至于降低或者破坏变桨系统的稳定性，从而导致因塔架的不规则震动而造成风电机组的损坏，甚至是重大事故的发生。尤其是在兆瓦级风电机组系统中，这个由延时造成的扰动更是无法忽略的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]起死回生的2019气候变化大会[J]. 田慧芳. 世界知识. 2020(01)
[2]基于自适应观测器的风力发电机液压变桨系统故障诊断[J]. 胡昌选,文传博. 电工电气. 2019(11)
[3]浅谈风力发电现状与发展趋势[J]. 刘东洋. 商讯. 2019(28)
[4]我国风能发电发展前景研究[J]. 李剑. 中国设备工程. 2019(14)
[5]基于人工蜂群-RBF-PID的风力机液压变桨距控制系统设计[J]. 任海军,邓广,吉昊,郑智文,郭儒. 可再生能源. 2019(07)
[6]中国分布式可再生能源发电发展现状与挑战[J]. 韩雪,任东明,胡润青. 中国能源. 2019(06)
[7]风机组电液比例差动变桨动态鲁棒补偿控制[J]. 王慧,杨秋实. 控制工程. 2019(06)
[8]风电机组无传感器功率追踪控制策略[J]. 王湘明,陈彦飞,郭雨梅. 沈阳工业大学学报. 2019(02)
[9]基于MISG算法的风力发电机液压变桨系统故障诊断[J]. 黄文韬,文传博. 电机与控制应用. 2018(11)
[10]基于线性二次型最优控制理论的多频段高压直流附加阻尼控制器设计[J]. 赵磊,邹云峰,邓君华,徐超,王德玉. 科学技术与工程. 2018(13)
博士论文
[1]水平轴海流能发电机组载荷分析与控制技术研究[D]. 徐全坤.浙江大学 2015
[2]大型风力机叶片的振动分析与优化设计[D]. 张宇.沈阳工业大学 2013
[3]大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D]. 张纯明.沈阳工业大学 2011
硕士论文
[1]基于最小二乘法优化粒子群算法的变桨风力机系统参数辨识研究[D]. 周桓辉.重庆邮电大学 2019
[2]大型风电机组功率与载荷协同控制策略研究[D]. 陈彦飞.沈阳工业大学 2019
[3]基于模型学习和线性二次型最优控制的机械臂控制器设计[D]. 于程隆.哈尔滨工业大学 2018
[4]永磁直驱风力发电机组变桨距伺服系统的研究[D]. 李良涛.湖南大学 2018
[5]大型风电机组气动载荷控制策略研究[D]. 杨景帅.沈阳工业大学 2017
[6]大型风电机组功率优化控制研究[D]. 李南.沈阳工业大学 2017
[7]大型风力发电机组变桨距控制技术研究[D]. 程申.上海电机学院 2017
[8]基于动量叶素理论的风力机风轮建模仿真[D]. 段宏.华北电力大学(北京) 2016
[9]基于模型的风电机组变桨距系统故障预测的研究[D]. 连莎莎.华北电力大学 2015
[10]基于MATLAB的风力发电系统最大功率跟踪技术研究[D]. 蔡文祯.天津职业技术师范大学 2014
本文编号：2974915
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国2018年-2019年风电新增装机容量和累计装机容量统计
沈阳工业大学硕士学位论文220世纪中期，中国风电的装机总量为零，新中国成立以来，国家对清洁能源的重视度逐渐提高，经过半个世纪的不懈努力，在2012年，中国的风电装机总量已经突破了6000万kW，成为世界风电第一大国。2015年，中国风电又实现了质的突破——装机总量突破了1亿kW，这也成为了中国风电行业发展的里程碑事件。我国国土资源辽阔，风资源丰富，这使得陆上风电在中国有良好的发展趋势。在欧洲，大多数国家国土面积较小，因此海上风电在欧洲国家也具有良好的发展前景。如图1.2所示，2019年，欧洲海上风力发电装机容量达到3623MW，新增装机容量3627MW，均创历史新高。英国、丹麦和比利时在2019年创造了国家安装记录。荷兰将首次安装海上风电机组，预计于2020年投入使用。截至2019年底，欧洲的海上风电累计容量达到22072MW。包括部分电网连接的地方，目前在12个欧洲国家有110个海上风电场和5047个并网风力涡轮机。可见规模浩大，趋势向好[9]。图1.22009至2019年欧洲海上风电装机总量统计Fig.1.2StatisticsoninstalledoffshorewindpowerinEuropefrom2009to2019为了满足日益增长的需求，风电机组的等级和尺寸都在不断扩大。然而，随着装机容量的不断上升，风电机组的维护成本也不断上升，风电机组的结构载荷变得更加突出，导致风能利用率降低，甚至是因为风电机组失效运行造成的人身伤亡事故。尤其是随着液压变桨技术的不断完善，与之而来的故障和延时问题也逐步进入研究人员的视野，因此，在不断提高风能利用率的同时，如何降低成本，延长风电机组寿命，也是风电机组课题研究的重点。1.2液压独立变桨研究现状基于风电机组变桨系统的驱动形式，现存于市场上有两种主流的变桨方式：液
态响应好和无需变速机构等优点[10]。而且电动变桨装置内部是由齿轮进行连接，齿轮产生的齿隙会导致齿轮的磨损和载荷的上升，从而使风电机组的寿命减短，而液压变桨的油缸执行速度明显比齿轮快，且占用空间较小，从而巧妙避开了这一弊端。同时，在失电时液压变桨将蓄压器作为备用动力源，可以对叶片进行全顺桨作业。电动变桨中如果调节桨距角过于频繁，其产生的热负荷会导致变桨系统的损坏[11]，这就使液压变桨系统逐渐凸显出了其自身具有的巨大优势和发展潜力，正在逐渐向着市场的主流方向发展。液压变桨系统的内部结构如图1.3所示，变桨控制系统将变桨信号给到液压驱动单元，液压缸带动推动杆和同步盘运动,同步盘通过短转轴、连杆和长转轴推动偏心盘转动,偏心盘带动桨叶进行变桨[12]。液压变桨系统定位精准、动态响应快，被很多大型风电机组采用，但是其也存在着一些问题，例如漏油、卡涩等机械故障问题；变桨执行机构相对复杂，使其本身具有明显的非线性问题，这就容易造成液压变桨系统本身的损坏，从而导致整个风电机组的故障。在近几年提出了应用冗余控制和在线监测技术[13]以避免液压变桨系统的非线性等问题引起的整机系统故障问题，这在一定程度上减缓了因液压变桨对风电机组造成的不利影响。图1.3液压变桨系统的内部结构Fig.1.3Internalstructureofhydraulicpitchcontrolsystem液压变桨日益完善，随之而来由于变桨产生的延迟也成为了一个不可忽视的问题。而延迟会给风电机组的独立变桨控制带来扰动，以至于降低或者破坏变桨系统的稳定性，从而导致因塔架的不规则震动而造成风电机组的损坏，甚至是重大事故的发生。尤其是在兆瓦级风电机组系统中，这个由延时造成的扰动更是无法忽略的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]起死回生的2019气候变化大会[J]. 田慧芳. 世界知识. 2020(01)
[2]基于自适应观测器的风力发电机液压变桨系统故障诊断[J]. 胡昌选,文传博. 电工电气. 2019(11)
[3]浅谈风力发电现状与发展趋势[J]. 刘东洋. 商讯. 2019(28)
[4]我国风能发电发展前景研究[J]. 李剑. 中国设备工程. 2019(14)
[5]基于人工蜂群-RBF-PID的风力机液压变桨距控制系统设计[J]. 任海军,邓广,吉昊,郑智文,郭儒. 可再生能源. 2019(07)
[6]中国分布式可再生能源发电发展现状与挑战[J]. 韩雪,任东明,胡润青. 中国能源. 2019(06)
[7]风机组电液比例差动变桨动态鲁棒补偿控制[J]. 王慧,杨秋实. 控制工程. 2019(06)
[8]风电机组无传感器功率追踪控制策略[J]. 王湘明,陈彦飞,郭雨梅. 沈阳工业大学学报. 2019(02)
[9]基于MISG算法的风力发电机液压变桨系统故障诊断[J]. 黄文韬,文传博. 电机与控制应用. 2018(11)
[10]基于线性二次型最优控制理论的多频段高压直流附加阻尼控制器设计[J]. 赵磊,邹云峰,邓君华,徐超,王德玉. 科学技术与工程. 2018(13)
博士论文
[1]水平轴海流能发电机组载荷分析与控制技术研究[D]. 徐全坤.浙江大学 2015
[2]大型风力机叶片的振动分析与优化设计[D]. 张宇.沈阳工业大学 2013
[3]大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D]. 张纯明.沈阳工业大学 2011
硕士论文
[1]基于最小二乘法优化粒子群算法的变桨风力机系统参数辨识研究[D]. 周桓辉.重庆邮电大学 2019
[2]大型风电机组功率与载荷协同控制策略研究[D]. 陈彦飞.沈阳工业大学 2019
[3]基于模型学习和线性二次型最优控制的机械臂控制器设计[D]. 于程隆.哈尔滨工业大学 2018
[4]永磁直驱风力发电机组变桨距伺服系统的研究[D]. 李良涛.湖南大学 2018
[5]大型风电机组气动载荷控制策略研究[D]. 杨景帅.沈阳工业大学 2017
[6]大型风电机组功率优化控制研究[D]. 李南.沈阳工业大学 2017
[7]大型风力发电机组变桨距控制技术研究[D]. 程申.上海电机学院 2017
[8]基于动量叶素理论的风力机风轮建模仿真[D]. 段宏.华北电力大学(北京) 2016
[9]基于模型的风电机组变桨距系统故障预测的研究[D]. 连莎莎.华北电力大学 2015
[10]基于MATLAB的风力发电系统最大功率跟踪技术研究[D]. 蔡文祯.天津职业技术师范大学 2014
本文编号：2974915
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