海上风力发电机组变桨距控制技术研究

作     者：范定成 

作者单位：湖南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦斌

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：漂浮式风电机组 动力学 FAST 变桨距控制 状态空间 

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。