独立变桨控制下的风力机齿轮箱动力学仿真分析

针对大型风电机组齿轮箱动态载荷问题,以多体动力学理论为基础建立风力机齿轮箱动力学模型,研究系统的独立变桨控制技术,提出线性二次高斯控制(LQG)独立变桨控制策略,建立LQG控制器,利用SIMPACK软件与Matlab/Simulink进行联合仿真,计算在仿真风速下的风力机齿轮箱载荷变化情况,计算并比较在不同风速、不同控制方式下风力机齿轮箱齿轮和轴承所受的动态载荷。计算结果表明,相对于统一变桨,独立变桨控制能更好地降低齿轮箱内部载荷波动,从而降低风力机齿轮箱齿轮和轴承的疲劳载荷。     

参与电网调频的风电机组线性变参数变桨控制策略

风电机组参与调频时其输出功率的调整将改变风电机组变桨动作的风速范围,同时由于桨距角调节气动功率的灵敏度随风况变化,使得传统PI变桨控制难以适用于风电机组参与调频时的复杂工况,出现风电机组转速振荡问题。提出一种基于线性变参数(Linear Parameter Varying, LPV)系统的风电机组变桨控制方法,对风电机组模型进行线性化,根据风速和桨距角的变化范围进行凸分解,得到其具有四面体结构的LPV模型,通过求解不同平衡点处的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)设计出相应的变桨控制器。仿真结果表明:与传统PI变桨控制相比,LPV变桨控制能有效减小转速的波动,降低低速轴载荷以及减小桨距角的波动程度,验证了该控制策略的有效性和先进性。     

风电机组变桨系统载荷特性研究

以某3 MW风电机组为研究对象,对风电机组变桨系统非线性特性进行研究,证明变桨控制器增益与桨距角为反比例关系。使用GH Bladed软件建立变桨系统载荷计算仿真模型,对正常发电、紧急停机等多种工况下变桨驱动载荷进行仿真,分析不同工况下变桨驱动载荷的变化规律,说明由叶片载荷产生的变桨轴承摩擦扭矩在变桨驱动载荷中占有重要比例。提出基于多工况综合分析的变桨驱动电机选择方法。     

不对称载荷的独立变桨控制

常规的独立变桨控制是把3叶片的周期性载荷看作对称的,而在实际中叶片的载荷存在不对称分量,因此提出叶片不对称载荷的控制。仿真计算以2 MW双馈式风电机组为模型,在考虑风切变、塔影效应的工况下,独立变桨控制能实现载荷波动的减缓。在湍流风和叶片安装角误差工况下,不对称载荷控制可进一步降低载荷波动。载荷控制并未明显影响机组的发电功率,但可显著增加变桨机构的动作量。     

基于载荷优化的漂浮式海上风力发电机组变桨距控制研究

首先建立漂浮式平台流体动力学模型,重点提出一种变桨距控制的改进方案,针对复杂载荷环境导致的海上风力机系统建模不精确,利用基于先进记忆的控制策略进行桨距角补偿,有效减少了不对称气动载荷和平台运动。基于FAST和Matlab/Simulink软件平台以NREL-5 MW漂浮式海上风电机组为仿真模型验证改进控制器的有效性。分析和仿真结果表明,相比传统的独立变桨控制,改进的控制器在减少疲劳载荷和平台振荡有更好的性能,提高了系统的稳定性和可靠性。     

水平轴潮流能发电机组变桨距系统研究

针对水平轴潮流能发电机组的变桨距系统进行研究.利用理论力学及叶素动量理论对桨叶在机组工作时的受力进行详细分析,提出变桨载荷的理论计算方法.根据潮流能机组轮毂体积小、变桨载荷及凋桨范围大等特点,设计了一种新型的基于电液比例技术的齿轮齿条式变桨距执行机构.该机构结构紧凑、油路新颖、驱动力矩及调桨角度大.在建立系统数学模型的基础上,通过数字仿真对系统的控制特性进行研究.仿真结果表明采用PID控制算法的变桨距系统具有较好的动态特性,能够满足机组功率控制的需求.     

计及疲劳损伤评价的大型风电机组降载控制优化

针对目前大型风电机组疲劳载荷日益严重的问题,进行了降载荷控制优化的研究:首先采用美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW风电机组搭建FAST和Matlab的联合控制模型;在此基础上设计了一种在额定风速以下提前进行变桨控制的优化方案,并依据疲劳损伤与发电量综合评价选取最优提前变桨区间;然后在额定风速以上结合功率和载荷两方面控制目标,先分风速区间优化独立变桨控制器PI参数,再拟合得到独立变桨控制的变增益调度优化函数;最后加入载荷反馈回路,在变增益独立变桨策略的基础上进一步降低叶根挥舞弯矩峰值。结果表明:提前变桨策略能有效降低额定风速附近的载荷与功率波动,加入叶片载荷反馈回路的变增益独立变桨控制相比统一变桨控制能显著减小叶片疲劳损伤。     

基于差分进化算法的风电机组变桨参数寻优

针对大型双馈式风电机组变桨控制器参数优化问题,提出基于差分进化算法离线寻优变桨控制器PI参数的策略。基于GH Bladed软件得出的双馈式风电机组的高阶线性化模型,利用Matlab软件辨识出既满足精度要求,又可进行参数寻优的低阶模型。然后采用差分进化算法优化变桨PI控制器参数。利用寻优得到的参数进行变增益变桨控制,以达到稳定功率的控制目标。以5 MW双馈式风电机组为研究对象进行仿真验证。在阵风工况下,寻优后的输出功率很快恢复到额定值附近,而且最大偏离量较优化前小。在平均风速为16、18和20 m/s的湍流风工况下,寻优后的输出功率标准差较优化前分别降低23.31%、22.78%和18.32%。     

基于蚁群算法的Spar型浮式风机独立变桨控制方法

针对多自由度、非线性、强耦合的漂浮式风电机组,为了缓解其在额定风速以上出现的风轮载荷不平衡、漂浮式基础摇荡及功率输出不稳定等问题,提出了一种基于蚁群算法的独立变桨控制方法,用于动态优化PID控制器参数。针对传统蚁群算法搜索效率低、质量差等问题,文章采用最优-最劣蚂蚁系统对其改进,得到了更适用于漂浮式风电机组的蚁群PID独立变桨控制方法。FAST-Matlab/Simulink联合仿真结果表明,相比于PID独立变桨控制,基于蚁群算法的独立变桨控制方法能有效地减小桨叶根部所受力矩,缓解漂浮式基础的纵向运动,保证功率输出的稳定。     

极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷,基于双转子风力机气动与控制仿真系统,提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略,并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比,在极端运行阵风和极端湍流模型下,独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上;与传统恒速偏航控制相比,在极端风向变化下,偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷,抑制了功率波动。     

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.     

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。     

3MW双馈式风电机组变桨控制策略优化研究

随着风电机组单机容量的不断增大,风电机组零部件承受的载荷越来越大,电网对机组输出功率的品质也提出了更高的要求。文章在变桨PID控制技术的基础上,通过增加塔架阻尼器、低通滤波器和陷波器,并在变桨时使用变增益双PID控制器,使风电机组在输出功率较为平滑的同时,降低关键部件的载荷。结合3 MW双馈式风电机组开发GH Bladed的外部控制器程序,并和广泛应用的PID控制器进行仿真比较。仿真结果表明,该研究提出的控制策略改善了风电机组输出功率的品质,降低了塔架等关键部件的载荷。     

基于泛模型的风轮不平衡载荷控制

针对大型变速变桨风电机组风轮的非线性特征和难以建立精确模型的问题,设计了一种基于泛模型的风轮不平衡载荷自适应控制器。根据传感器测量的叶根载荷,对3个叶片进行独立变桨控制,通过3个叶片的桨距角差异来减小风轮的不平衡载荷。在此基础上,以双馈变速变桨机组为对象,通过仿真对该控制器进行了测试,结果表明该方法用于减小风轮的不平衡载荷是可行且有效的。     

叶片变桨速率对风电机组停机过程载荷特性影响研究

分析叶片变桨速率对于风电机组机械载荷影响的机理,并基于某2.5 MW双馈型风电机组载荷实测数据,对相同外部条件不同叶片变桨速率停机过程的载荷数据进行分析,研究叶片变桨速率对风电机组疲劳与极限载荷的影响。运用GH Bladed软件,对不同叶片变桨速率停机工况下的风电机组载荷进行仿真计算,验证叶片变桨速率与风电机组载荷之间的内在关系。现场测试数据与仿真结果均表明,风电机组停机过程中的载荷特性与叶片变桨速率相关,且随着叶片变桨速率的增加,疲劳与极限载荷随之明显增加。由叶片变桨速率增大导致的风电机组极限载荷增加比例与疲劳等效载荷增加比例相近。     

基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略研究

当风速大于额定风速时,风电机组通过控制变桨机构调整桨距角来减小风能捕获,从而使机组的输出功率保持在额定功率附近。变桨系统一般采用PI(比例积分)控制算法,但由于风轮气动转矩与风速、风轮转速、桨距角呈高次复杂非线性关系,单一控制参数的变桨控制器难以满足风电机组在额定风速以上的运行性能要求。为了解决单一变桨控制性能不足的问题,提出一种基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略,该策略通过测量桨距角当前值来动态调整变桨控制器参数,可有效提升变桨系统随风动作连续性,减小由变桨控制引起的转速与功率波动,削减机组由变桨动作引起的动态载荷。     

基于不同载荷测量量的独立变桨控制

讨论了依据3种不同载荷测量量的独立变桨控制,分别为叶片面外弯矩、轮毂旋转坐标系下的弯矩和机舱坐标系下的面外弯矩.结果表明:3种载荷测量方式的实施和维护的难度是依次递减的;与没有独立变桨控制的情况相比,3种方式均能有效地降低叶片面外载荷谐波分量及传递给机组其他部件的载荷;载荷控制并未明显影响机组的发电功率,但显著增加了变桨机构的动作量.     

新型浮式风能-波浪能集成结构系统耦合动力分析

针对中国丰富深水风能和波浪能资源开发的未来需求,提出一种张力腿式风力机与垂荡式波浪能装置相集成的新型浮式结构系统。首先,选取NREL 5 MW风力机模型,基于叶素动量理论(blade element momentum,BEM)方法研究该集成系统风力机叶片的气动性能,基于势流理论方法模拟分析垂荡式波浪能装置与张力腿平台结构的水动力载荷,并考虑波浪能装置等效PTO(power take-off)系统的多体动力耦合效应,建立新型张力腿式风力机-垂荡式波浪能装置集成结构系统的空气动力与水动力耦合时域分析模型;其次,对比总结不同波浪能装置(PTO)设计参数对集成平台波浪能输出功率的影响规律;最后,重点研究典型最大运行发电海况下该新型浮式集成结构系统的结构动力响应特征及风能-波浪能输出功率特征,并验证其在极端海况下的安全性能。     

风波耦合作用下风载荷对两种漂浮式风力机平台动态响应影响

为分析风载荷对漂浮式平台的重要影响,建立了基于单桩式及张力腿平台的漂浮式风力机整机模型,基于叶素-动量理论与辐射/绕射理论,运用水动力软件AQWA并结合有限元方法验证了风载荷及风波耦合的重要性,研究了波浪单独及风波耦合作用下漂浮式平台的时频域动态响应。结果表明：风载荷使平台产生了较大纵荡与垂荡漂移,其产生的倾覆力矩改变了纵摇平衡位置,风载荷使纵荡响应偏离平衡位置较垂荡与纵摇响应明显;对于纵荡响应,风载荷使两平台低频固有频率处的响应峰值增加;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处的响应峰值减小,使张力腿平台纵荡-垂荡耦合响应及波浪频率处的响应峰值大幅增加;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台及张力腿平台低频固有频率处的响应峰值大幅增加;风载荷是引起单桩式平台纵荡-垂荡耦合运动的关键因素;波浪载荷是引起张力腿平台纵荡响应幅值较大的关键因素。     

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明：所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。