基于改进PID的风力发电机组独立变桨距控制策略研究

发布时间：2017-10-15 03:00

  本文关键词：基于改进PID的风力发电机组独立变桨距控制策略研究

  更多相关文章： 风力发电机组 疲劳载荷 功率波动 GH Bladed 风速分区

【摘要】：随着风力发电机组的大型化,其塔架高度和桨叶长度也大幅度增加,从而加剧了风剪、塔影和湍流等因素对于风力机各关键部件疲劳载荷的影响,现阶段进入商业化运行的大型机组大多采用统一变桨控制,虽然能在一定程度上减小功率波动和风轮不平衡载荷,但仍不能满足风电并网的要求。针对功率波动性大和风能利用系数低等问题,本课题在分析了独立变桨距理论和桨距角调节原理的基础上,提出了基于风速分区的分段PID独立变桨距控制,主要完成工作如下:(1)根据风力发电机的组成建立了风力发电机组各部分的数学模型,以动量-叶素理论为基础建立了计及风剪切、塔影效应和湍流风况的风速模型,并通过Matlab仿真平台验证模型的有效性。(2)将构建的风速模型分别加入统一变桨距控制系统及普通PID独立变桨距控制系统,研究功率与风速模型间的关系。仿真结果表明,普通PID独立变桨距控制系统功率波动更小。(3)针对普通PID独立变桨距系统在控制输出功率稳定性方面的不足,提出基于风速分区的分段PID独立变桨距控制方法。先由系统的规定误差和黄金优选法对额定风速至切出风速之间划分合理的几段风速区域,然后根据不同的风速区域设计不同的PID控制器。仿真结果表明,提议的控制策略能使发电机功率输出更加稳定。(4)针对非线性风电机组不能精确建立模型的问题,提出将Matlab和GH Bladed实现交互设计的方法分析风力机各部件的载荷。将GH Bladed中得到的桨叶的空气动力参数和载荷导入Matlab构建的控制器仿真系统,获得的结果再与GH Bladed系统联合调试获得叶片旋转过程中在不同位置的气动载荷。结果表明,与普通PID独立变桨距控制相比,基于风速分区的分段PID控制使三只桨叶叶根载荷分别减小12.45%、11.76%、11.63%;挥舞弯矩分别减小20.86%、21.00%、18.16%;轮毂固定坐标下Y和Z方向载荷分别减小14.14%和11.25%;轮毂旋转坐标下Y和Z方向载荷分别减小13.06%和15.08%;塔架Y、Z方向的载荷分别减小26.43%和22.92%。仿真结果表明所提议的控制策略能减小风力机各部件的不平衡载荷。
【关键词】：风力发电机组 疲劳载荷 功率波动 GH Bladed 风速分区
【学位授予单位】：新疆农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TP273
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题研究背景与意义8-10
• 1.1.1 课题研究背景8-9
• 1.1.2 课题研究意义9-10
• 1.2 国内外风力发电技术的发展现状10-12
• 1.2.1 不平衡载荷的研究现状10
• 1.2.2 变桨距控制技术的研究现状10-11
• 1.2.3 独立变桨距控制策略的研究现状11-12
• 1.3 课题研究的主要内容12-14
• 第2章 变桨风力发电机组基本理论14-29
• 2.1 风力发电机组的组成14-15
• 2.2 空气动力学基础15-21
• 2.2.1 动量理论15-16
• 2.2.2 叶素理论16-17
• 2.2.3 动量-叶素理论17-18
• 2.2.4 计算空气动力载荷18-19
• 2.2.5 风能的计算19
• 2.2.6 风能利用系数与贝兹极限19-21
• 2.3 风速特性研究21-26
• 2.3.1 风剪切效应风速模型21-22
• 2.3.2 塔影效应风速模型22-24
• 2.3.3 湍流效应24-25
• 2.3.4 风剪切与塔影效应同时影响桨叶的风速模型25-26
• 2.4 变桨距控制研究26-28
• 2.4.1 风力发电机组的统一变桨距控制系统26-28
• 2.4.2 风力发电机组的独立变桨距控制系统28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 独立变桨距控制及仿真分析29-42
• 3.1 独立变桨距控制策略29-31
• 3.1.1 独立变桨距控制原理29
• 3.1.2 桨距角的调节原理29-31
• 3.2 变桨距控制系统的Simulink仿真模型31-34
• 3.2.1 风轮模型31-32
• 3.2.2 发电机模型32-33
• 3.2.3 传动系统模型33-34
• 3.2.4 变桨距执行机构模型34
• 3.3 PID控制器的设计及变桨距系统仿真34-41
• 3.3.1 PID控制器设计34-35
• 3.3.2 统一变桨距风力发电机组的系统建模及仿真35-37
• 3.3.3 桨叶方位角权系数分配原理37-40
• 3.3.4 独立变桨距风力发电机组的系统建模及仿真40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 基于改进PID的独立变桨距系统控制器的设计与仿真42-52
• 4.1 额定风速以上桨距角与风速的关系特点42-43
• 4.2 风速工况分区43-50
• 4.2.1 黄金优选法的选取44-48
• 4.2.2 基于测量叶根载荷的独立变桨距控制器设计48-50
• 4.3 基于改进PID控制的独立变桨距控制系统建模与仿真50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 载荷分析研究52-68
• 5.1 GH Bladed简介52-53
• 5.2 Matlab和GH Bladed的交互53
• 5.3 交互软件所需要的一些技术53-57
• 5.3.1 GH Bladed外部控制器DLL的结构54
• 5.3.2 Matlab Engine技术54-55
• 5.3.3 交互软件的数据流和流程55-57
• 5.4 交互仿真及载荷分析研究57-67
• 5.4.1 叶片载荷分析研究58-62
• 5.4.2 轮毂载荷分析研究62-65
• 5.4.3 塔架载荷分析研究65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-73
• 作者简介73-74
• 致谢74

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