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。     

大偏航角下基于IPC的风力机变速率停机控制研究

通过分析机组在触发偏航超限停机过程中，叶片在不同方位角下的受力情况，指出大偏航角下叶片受载不均衡是导致轮毂中心出现极限载荷的根源，并研究桨距角与偏航角方向对不均衡受载的影响，在原始控制策略的基础上，引入基于叶轮方位角的独立变桨控制（IPC）变速率停机策略，减小机组在负向大偏航下的气动不平衡，大大降低了轮毂与偏航轴承中心极限载荷，依据IEC标准，并以某7.0 MW海上风力机为研究对象，通过偏航超限工况载荷计算，对比分析发现，基于叶轮方位角IPC变速率停机策略，可减小不平衡推力引入的倾覆弯矩，达到减小机组载荷的目的，为此特定风况下的降载提供了可靠依据。     

基于NMPC-PID的风力机独立变桨距控制策略研究

针对独立变桨风力发电机组叶片承受的不平衡载荷,尤其是随机性载荷问题,通过对其桨距角控制原理以及桨叶载荷数学模型的分析研究,提出结合神经网络、模型预测控制和自适应PID(NMPC-PID)的复合控制策略。采用Coleman坐标变换将叶片不平衡载荷分解为俯仰载荷和偏航载荷,跟据桨叶载荷的变化,对桨叶桨距角进行实时控制,以达到减小风电机组桨叶不平衡载荷的目的。以某2 MW风力发电机作为验证对象进行仿真研究,结果表明,当风速达到额定值以上时,该控制策略能降低桨叶所受不平衡载荷,减小转矩波动,提高风力机工作效率。     

基于LMI的5MW海上风力发电机组载荷控制技术研究

当风速大于额定风速时,通过调节桨距角可以限制输入气动功率和风轮转速,使等效在低速轴上的发电机转速更好地跟踪风轮转速,从而减小低速轴扭矩,实现风机叶片、塔筒和传动链的动态载荷控制。文章基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)设计多目标鲁棒H_∞/H_2状态反馈变桨距控制器。设计变桨距控制器时充分考虑了海上机组的运行环境,分析了海浪对机组产生的影响,控制目标选取机组的功率和机组的关键部位疲劳载荷,在保证功率稳定输出、减小功率波动同时,减小机组载荷。使用MATLAB和FAST软件进行联合仿真,仿真结果表明新型控制策略可以有效平稳风电机组输出功率并降低机组载荷,实现了优化H_∞/H_2鲁棒控制性能。     

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。     

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。     

基于单神经元权系数的风电机组独立变桨控制

针对风电机组大型化造成风轮受风剪切效应不良影响的问题,提出了采用模糊PID功率控制器与单神经元动态权系数分配的独立变桨距控制方案。使用Matlab软件对该方案应用于1 MW双馈型风电机组独立变桨距的运行工况进行仿真研究。仿真结果显示,独立变桨距控制方案在保证机组输出功率稳定的前提下,显著改善了风机叶片与风轮承受的轴向不平衡气动力的幅值与波动,进而降低了机组运行过程中受到的气动疲劳载荷,有助于延长机组寿命。     

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。     

减小风力机1P气动载荷和3P气动转矩脉动的独立变桨距控制策略研究

为研究风切变和塔影效应对三叶片风力机气动载荷、气动转矩以及输出功率的影响,根据风切变和塔影效应的风速模型,引入等效风速模型,推导分析风力机1P(P为风轮旋转频率)气动载荷和3P气动转矩脉动的形成机理,并基于GH Bladed仿真平台验证这2种脉动的存在性。为减小这2种脉动对风力机产生的影响,基于变桨控制,设计带通滤波器过滤出风力机输出功率的3P脉动分量,并结合方位角信号将其转换为每支叶片的桨距角调节信号,与统一变桨控制的桨距角参考信号叠加,实现基于输出功率和方位角联合反馈的独立变桨距控制。仿真结果表明,所提独立变桨距控制策略不仅能有效缓解风力机1P叶根挥舞载荷脉动,还能明显减小气动转矩和输出功率的3P分量,从而在减小风轮疲劳载荷的同时提高风电机组输出电能质量。