海上风力发电机组变桨距控制技术研究

发布时间：2017-08-17 00:08

  本文关键词：海上风力发电机组变桨距控制技术研究

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【摘要】：为应对能源危机和气候变化带来的巨大挑战,全球大力发展可再生能源。其中风能是可再生能源的重要组成部分,目前陆上的风资源开发已经比较成熟,然而海上风电开发技术相对比较落后,主要由于海上风电场条件复杂,它除了受陆上的一系列外部条件制约外,还受到如盐雾腐蚀、台风袭击、海浪海冰撞击等恶劣气候条件的影响。但海上风资源丰富,随着技术难题的解决,海上风电具有更多的优势。目前海上风电技术正处在探索、研究、发展之中。论文首先通过空气动力学原理对变桨距控制技术风电机组运行产生的影响进行分析,由风切变和塔影效应出发,利用能量守恒定律、动量守恒定律完成对风能转换过程及风能利用系数数学模型的建立。针对海上风电机组复杂非线性、多输入高产出、强耦合的特点,建立海上风况、风电机组的风轮结构、传动系统、执行机构和发电机的数学模型,为后续章节研究变桨距控制技术奠定基础。其次,对风力发电机仿真软件FAST进行讨论,介绍了FAST软件工作原理。在空气动力学的基础上,应用FAST软件建立某5MW水平轴三叶片漂浮式风电机组模型,包括风轮系统空气动力学模型、风速模型和结构动力学模型,整个模型就是后续研究工作的平台。通过FAST软件对风电机组模型进行线性化分析,确定统一变桨距控制器PID的参数,仿真结果表明该控制方法能较好的满足设计要求。独立变桨距控制是在统一变桨距控制的基础上发展起来的一种重要的控制技术,目前在国外广泛采用。为了减小风力机疲劳载荷,稳定发电机输出功率,延长风机使用寿命,利用现代控制理论设计一种基于LQR状态空间方法的独立变桨距控制器,先建立漂浮式平台与锚泊系统的运动学和动力学模型,然后将耦合的空气动力载荷与水动力载荷加载到漂浮式风电机组多柔体动力学模型上,结合控制器在FAST软件中进行漂浮式风电机组的动态结构仿真分析。仿真结果表明浮式风电机组的桨叶载荷应力相对统一变桨控制有所减小,输出功率更加稳定,验证了该控制策略的正确性和有效性。
【关键词】：漂浮式风电机组 动力学 FAST 变桨距控制 状态空间
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究的背景及意义9-10
• 1.2 国内外海上风力发电研究现状10-13
• 1.2.1 国外海上风力发电的现状10-11
• 1.2.2 国内海上风力发电的现状11-13
• 1.3 风力机及其控制技术概述13-17
• 1.3.1 风力机简介14-15
• 1.3.2 控制技术发展概述15-17
• 1.4 本课题主要研究内容17-19
• 第二章 海上风力发电机组变桨距运行基本原理19-36
• 2.1 风速变化特性19-20
• 2.1.1 风切变效应19-20
• 2.1.2 塔影效应20
• 2.2 风力发电机空气动力学原理20-26
• 2.2.1 风能计算20-21
• 2.2.2 贝兹极限理论21-23
• 2.2.3 桨叶叶素动量理论23-26
• 2.3 变桨距系统数学模型26-32
• 2.3.1 海上风况26-28
• 2.3.2 风轮模型28-29
• 2.3.3 传动链数学模型29-30
• 2.3.4 变桨距执行机构模型30-31
• 2.3.5 发电机模型31-32
• 2.4 风电机组变桨距运行控制策略32-34
• 2.4.1 在额定风速以下的运行控制32-33
• 2.4.2 在额定风速以上的运行控制33-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第三章 基于FAST的海上风力发电机组传统控制器设计36-51
• 3.1 FAST工作原理36-39
• 3.1.1 FAST运行所需要的文件37
• 3.1.2 运行FAST37-38
• 3.1.3 FAST输出结果以及后处理38-39
• 3.2 对FAST运行中运用的原理分析39-43
• 3.2.1 FAST中线性化模型的计算39-41
• 3.2.2 FAST中周期稳态解的计算41-43
• 3.3 风力发电机组主要参数介绍43-45
• 3.4 基于PID的统一变桨距控制器设计45-48
• 3.4.1 PID控制原理概述45-47
• 3.4.2 变桨距PID参数的公式推导47-48
• 3.5 仿真结果与分析48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 漂浮式风力发电机组独立变桨距控制器设计51-71
• 4.1 漂浮式基础平台的动力学模型51-54
• 4.2 系泊缆绳系统的水动力学模型54-57
• 4.3 基于状态空间反馈的风力发电独立变桨距控制57-61
• 4.3.1 控制目标57-58
• 4.3.2 使用FAST进行模型线性化分析58
• 4.3.3 基于LQR状态空间方法的独立变桨距控制器设计58-61
• 4.4 漂浮式风电机组多柔体动力学仿真建模61-63
• 4.5 仿真结果与分析63-70
• 4.5.1 叶根载荷分析63-66
• 4.5.2 浮式平台振荡分析66-67
• 4.5.3 系泊缆绳受力分析67-68
• 4.5.4 整机载荷及性能对比分析68-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第五章 结论与展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-76
• 攻读学位期间主要研究成果76-77
• 附录77-81
• 致谢81

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