智能叶片风力机建模及多目标尾缘襟翼控制

发布时间：2021-10-31 12:27

　　为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼的智能叶片风力机模型,并在不同风况下使用FAST气弹仿真平台对所建模型进行对比验证,最后在智能叶片风力机模型基础上设计了多目标多襟翼控制。结果表明:与FAST气弹仿真平台相比,智能叶片风力机模型各项参数偏差均小于10%,精度较高;在多目标多襟翼控制作用下,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准差减少了75.07%。 

【文章来源】：动力工程学报. 2018,38(04)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

图１带尾缘襟翼的ＮＲＥＬ５ＭＷ参考风力机叶片结构图Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＮＲＥＬ５ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｗｉｔｈｔｒａｉ－

式中：Ｊｒ为风轮转子转动惯量；ＪＧ为发电机转动惯量；θｒ为风轮转子角位移；θＬ为低速轴角位移；θＨ为高速轴角位移；θＧ为发电机角位移；Ｔｒ为风轮转子气动扭矩；ＴＬ为低速轴扭矩；ＴＨ为高速轴扭矩；ＴＧ为发电机的电磁转矩；Ｋ为低速轴刚度；Ｃ为低速轴阻尼；Ｎ为齿轮箱传动比。图２双质块传动链模型等效图Ｆｉｇ．２Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｗｏ－ｍａｓｓｄｒｉｖｅｃｈａｉｎｍｏｄｅｌ２．３双馈感应发电机模型双馈感应发电机又称转子交流励磁电机，主要包括电机本体和交流励磁及控制系统２部分。所使用的双馈感应发电机是在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中双馈异步发电机的基础上，通过修改其内部结构［１２］和发电机参数［１３］，并调整其矢量控制的控制器参数，得到额定功率为５ＭＷ的双馈感应发电机模型（见图３）。图３５ＭＷ风力机双馈感应发电机模型Ｆｉｇ．３ＤＦＩＧｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ５ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ３智能叶片风力机模型验证ＦＡＳＴ是由ＮＲＥＬ开发的气弹仿真平台，可计算两叶片或三叶片水平轴风力机的极端载荷和疲劳载荷［１４］，其经过ＧＬ认证，计算结果准确度高。针对无襟翼和有襟翼的情况，采用基于ＦＡＳＴ的带尾缘襟翼的风力机气弹仿真平台［６］对所建立的智能叶片风力机模型进行对比验证。３．１４～１１ｍ／ｓ阶跃变化风况对比仿真时间为８００ｓ，仿真风况为每１００ｓ增加１ｍ／ｓ的阶跃变化风况，变化范围为４～１１ｍ／ｓ。

２双质块传动链模型等效图Ｆｉｇ．２Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｗｏ－ｍａｓｓｄｒｉｖｅｃｈａｉｎｍｏｄｅｌ２．３双馈感应发电机模型双馈感应发电机又称转子交流励磁电机，主要包括电机本体和交流励磁及控制系统２部分。所使用的双馈感应发电机是在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中双馈异步发电机的基础上，通过修改其内部结构［１２］和发电机参数［１３］，并调整其矢量控制的控制器参数，得到额定功率为５ＭＷ的双馈感应发电机模型（见图３）。图３５ＭＷ风力机双馈感应发电机模型Ｆｉｇ．３ＤＦＩＧｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ５ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ３智能叶片风力机模型验证ＦＡＳＴ是由ＮＲＥＬ开发的气弹仿真平台，可计算两叶片或三叶片水平轴风力机的极端载荷和疲劳载荷［１４］，其经过ＧＬ认证，计算结果准确度高。针对无襟翼和有襟翼的情况，采用基于ＦＡＳＴ的带尾缘襟翼的风力机气弹仿真平台［６］对所建立的智能叶片风力机模型进行对比验证。３．１４～１１ｍ／ｓ阶跃变化风况对比仿真时间为８００ｓ，仿真风况为每１００ｓ增加１ｍ／ｓ的阶跃变化风况，变化范围为４～１１ｍ／ｓ。图４给出了轮毂高度风速从４ｍ／ｓ到１１ｍ／ｓ阶跃增加时，智能叶片风力机模型与ＦＡＳＴ气弹仿真平台的对比图。从图４可以看出，与ＦＡＳＴ气弹仿真平台相比，智能叶片风力机模型叶片１叶根挥舞弯矩偏差小于４．６％，发电机转速偏差小于０．２％，发电机功率偏差小于０．５％。可见，在４～１１ｍ／ｓ的阶跃变化

【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机尾缘襟翼结构参数优化及控制性能分析[J]. 张文广,白雪剑,韩越.  动力工程学报. 2017(12)
[2]具有尾缘襟翼风力机的恒功率反步法控制[J]. 卢经纬,张臻,梁宇坤,张文广.  控制理论与应用. 2017(01)
[3]尾缘襟翼结构参数对大型风机气动性能影响的仿真研究[J]. 张文广,李腾飞,刘吉臻,白雪剑,韩越,胡阳.  可再生能源. 2016(12)

硕士论文
[1]风力发电机传动装置建模分析[D]. 刘豹.东北大学 2012



本文编号：3468135