基于超级电容的海上风电机组电动变桨系统设计

变桨系统是海上风电机组的核心部件,对机组安全运行具有十分重要的作用。液压变桨系统存在漏油等问题,蓄电池电动变桨系统存在电池的低温性能差、使用寿命短等问题。文章探讨了使用超级电容作为后备电源的电动变桨系统的设计,并对蓄电池与超级电容进行了比较分析。用超级电容作为海上风电机组电动变桨系统的后备电源,可充分发挥超级电容耐低温、寿命长的特性,提高风机安全性和运行效率,降低海上风电机组的维护成本。通过分析变桨系统力矩,对超级电容电动变桨系统的选择进行了理论计算和推导,并进行了实际测试,为海上风电机组电动变桨系统后备电源的设计提供了有效方法。     

基于坐标变换的独立桨距调节技术

针对因风的不对称性引起俯仰弯矩和偏航弯矩的问题,建立了大型风力发电机组独立变桨距控制所需的空气动力学模型。由于风轮空气动力学模型具有多变量、强耦合和时变的特点,首先对其施加一坐标变换,将其转换成线性时不变、非耦合的简单模型,简化了控制器的设计。最后,将风切变作为扰动输入量,针对一台1.5 MW风电机组设计了两个独立的PID控制器,并利用Matlab进行了仿真验证。结果表明,采用独立桨距调节技术能大大地降低风机的俯仰弯矩和偏航弯矩。     

基于Matlab的风电机组控制系统研究与仿真验证

基于Matlab平台的M语言,研究风电机组转矩PI控制器、变桨PI控制器及参数优化、转矩控制与变桨距控制的解耦、传动链加阻控制和塔架前后加阻控制对风电机组动态响应的影响,通过仿真试验验证了PI控制器参数优化、转矩控制与变桨距控制的解耦以及传动链加阻均能够提高机组稳定性,降低载荷,提高机组安全性,为风电机组控制系统的优化及应用提供参考。     

风电机组非线性最优变桨距控制器的设计

基于状态反馈线性化方法和最优控制理论,针对风速高于额定风速以上时,设计风力发电机组的非线性最优变桨距控制器,以保证系统的恒功率输出,并证明了该控制器的良好控制性能。     

基于模糊控制的风电机组独立变桨距控制

在额定风速以上时,通常采用变桨距控制技术调节大型风电机组来稳定其输出功率.由于风力发电系统的数学模型具有高度非线性、多变量、强耦合的特点,风速又具有多变性,因此文章在分析传统的PID变桨距控制技术优缺点的基础上,提出了基于三维模糊自适应PID控制的独立变桨距控制技术,并且引入风速的模糊前馈控制技术.对1 MW风电机组进行仿真,结果表明,在额定风速以上时,该方法不仅能稳定风电机组的输出功率,而且可以减小桨叶的拍打振动.     

基于变桨距控制策略的异步风电机组暂态稳定性研究

为了提高和改善在电网故障下并网风电机组的暂态稳定性,该文以并网笼型异步风力发电机组为例,考虑风力机传动链柔性带给机组振荡的影响,在典型变桨控制策略的基础上提出了一种增加以风力机转速为控制量的分阶段控制策略.通过建立并网异步风力发电机组的电磁暂态模型,基于Matlab/Simulink仿真平台,应用改进的变桨距控制策略,对电网三相对称短路故障下并网异步风力发电机组的暂态运行特性进行了仿真,并将其结果和多种不同变桨控制策略以及无功补偿策略的结果进行了比较.仿真结果验证了该文提出的变桨距控制策略能有效改善风力发电机组的暂态稳定性.     

多机型风电机组机网扭振的模型与机理

分别针对风电场的定桨失速型、直驱式永磁型和双馈异步型风力发电机组3种主流机型的机网扭振机理进行了分析.建立了风力发电机组机网扭振研究的小信号分析模型,包括风力机的机械旋转系统模型、发电机模型、控制模型及电网模型.其中机械旋转系统包括风力机的桨叶、高速轴、齿轮箱、低速轴和发电机转子,等效为3个集中质量块-弹簧模型;发电机、电网及控制模型均在dq坐标系下建立.建立了整个模型的状态方程.通过仿真研究了上述3种机型风电机组机网扭振的单机对无穷大仿真模型,利用输电线路首端三相短路故障激发风电场和电网间的机网扭振现象,得到了转速和转矩的扭振曲线,扭振频率与计算得出的风力发电机组机械旋转系统固有频率吻合,验证了模型的准确性.     

兆瓦级风机电动变桨距系统的地面试验

桨距系统作为大型风电机组的核心部分之一,对机组安全、稳定、高效的运行有十分重要的作用。针对电动变桨距系统工作环境特殊、现场负载试验较为困难等问题,构建了电动变桨距系统地面测试平台,对电动变桨距系统的地面测试方案、测试方法展开了试验。试验结果表明地面试验方案对电动变桨距的研究与产品开发具有较好的试验价值。     

大型海上风电机组变桨距PID控制策略研究

文章针对大型海上风机的叶片具有较大惯性的问题,分析了传统变桨距PI控制器的不足,从而设计出带有超前环节的变桨距PID控制器,其能改善因惯性较大而导致的不良控制效果,并通过典型工况的仿真计算及性能分析,表明PID控制器的整体性能优于PI控制器,不仅具有稳定风轮转速、减轻风机振动的优点,还降低了风机的极限载荷水平,从而在保证安全性的基础上降低了机组成本。     

风电机组电液比例变桨距技术研究

针对风力机功率控制的重要性,设计了电液比例变桨距执行机构,并结合风力机设计软件Bladed组建成半物理仿真试验台。在此试验台上对提出的分段PID变桨距控制算法以及变速恒频和变桨距切换设定的控制策略进行试验研究。试验结果表明在风速高于额定值时,通过分段PID变桨距控制发电机输出功率稳定性高于常规PID,当风速在额定值左右变化时,变桨距和变速恒频切换正常,满足功率控制和最大风能捕获的要求。     

变速变桨风力发电机组的优化控制

提出了大型变速变桨风力发电机组在不同控制阶段的优化控制策略。在低风速时,采用自适应转矩控制方式,实现机组的变速运行,追踪最佳风能利用系数。在额定风速以上时,为了解决传统桨距控制方式系统超调量大的问题,提出了一种新型气动转矩观测器,并将气动转矩与发电机转矩偏差输入控制器。通过Bladed外部控制器模块编程并进行仿真,结果表明,所提出的控制策略能够更好地追踪最大功率点,并改善桨距控制效果,稳定功率输出。     

变速风力机变桨距系统建模与仿真

变速风力发电机组一般采用变桨距控制来稳定输出功率,但是桨距角的改变会引起攻角的改变,从而引起叶片气动性能的改变,所以在变桨距控制过程中,必须保证合适的攻角,以确保风力机具有良好的气动性能。采用统一变桨距控制方法,在matlab/simulink环境下,通过预测攻角仿真研究了变速风力发电机组的变桨距控制过程,结果表明,该控制模型能正确模拟各种风速下风力发电机组变桨距的动态过程,为进一步研究变速风力发电机的功率控制奠定了基础。     

百千瓦中型变速变桨风电机组叶片设计研究

百千瓦级叶片一般采用定桨方式运行,依靠叶片失速进行功率控制,机组运行过程中无法维持较高的效率。基于100 kW变速变桨机组的运行特征,提出了一种100 kW级中型叶片的设计方法。气动设计采用了BEM方法,利用Harp_opt中的优化算法获得较高的气动性能;结构及载荷设计参考IEC标准进行,采用Focus进行铺层设计及结构特性分析。所设计叶片的长度为10.029 m左右,极限及疲劳载荷特性满足GL IIA类风场的运行要求。     

Sensor comparison study for load alleviating wind turbine pitch control

As the size of wind turbines increases, the load alleviating capabilities of the turbine controller are becoming increasingly important. Load alleviating control schemes have traditionally been based on feedback from load sensor; however, recent developments of measurement technologies have enabled control on the basis of preview measurements of the inflow acquired using, e.g., light detection and ranging. The potential of alleviating load variations that are caused by mean wind speed changes through feed‐forward control have been demonstrated through both experiments and simulations in several studies, whereas the potential of preview control for alleviating the load variations caused by azimuth dependent inflow variations is less described. Individual or cyclic pitch is required to alleviate azimuth dependent load variations and is traditionally applied through feedback control of the blade root loads. In many existing studies, the performance of an advanced controller is compared with the performance of a simpler controller. In this study, the effect of three measurement types on the load alleviating performance of the same cyclic pitch control design is studied. By using a baseline cyclic pitch controller as test bench, the effect of the different measurement types on the controller performance can be assessed independent of control design. The three measurement types that are considered in this study are as follows: blade root out‐of‐plane bending moment, on‐blade measurements of angle of attack and relative velocity at a radial position of the blades, and upstream inflow measurements from a spinner mounted light detection and ranging (LiDAR) sensor that enables preview of the incoming flow field. The results show that for stationary inflow conditions, the three different measurement types yield similar load reductions, but for varying inflow conditions, the LiDAR sensor‐based controller yields larger load reductions than the two others. The results also show that the performance of the LiDAR sensor‐based controller is very sensitive to uncertainties relating to the inflow estimation. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于5MW风机模型的变初值模糊PI变桨控制技术研究

针对传统PID变桨控制器参数自调整性能较差,适应性不强的问题,文章提出了风电机组变初值模糊PI变桨控制算法。通过模糊控制算法实现了PI参数的自动调节,根据风速大小设计了合理的变初值调整算法,实现了模糊控制器初值的在线调节。基于FAST风机软件中5 MW陆上风电机组非线性模型,分析了风电机组在额定风速以上运行时变桨系统的动态特性,从算法结构出发,设计了合适的模糊规则和量化、比例因子以及变初值调整算法,在Matlab/Simulink中搭建了变初值模糊PI变桨控制策略。通过仿真验证了控制策略在抑制转速波动和风机叶片、塔基受力力矩波动方面具有较好的效果。     

不同海况及伺服系统作用下10 MW单桩式风力机地震易损性研究

为探究不同海况及伺服系统下单桩式近海风力机的地震易损性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立风浪相关的地震-湍流风-波浪多物理场模型,研究其在变速变桨伺服系统下的动力特性,基于增量动力分析方法评估其地震易损性。结果表明：变速变桨伺服系统可有效缓解风力机高风速下无地震作用时的塔顶振动;当风轮在大推力下,较小的波浪载荷一定程度上可降低风力机塔顶振动及塔底弯矩;随地震动强度增加,风力机各临界损伤状态失效概率逐渐增加;风力机地震易损性主要由地震动强度决定,波浪载荷与湍流风载荷对风力机地震易损性影响较小。     

Airfoil optimisation for vertical‐axis wind turbines with variable pitch

To advance the design of a multimegawatt vertical‐axis wind turbine (VAWT), application‐specific airfoils need to be developed. In this research, airfoils are tailored for a VAWT with variable pitch. A genetic algorithm is used to optimise the airfoil shape considering a balance between the aerodynamic and structural performance of airfoils. At rotor scale, the aerodynamic objective aims to create the required optimal loading while minimising losses. The structural objective focusses on maximising the bending stiffness. Three airfoils from the Pareto front are selected and analysed using the actuator cylinder model and a prescribed‐wake vortex code. The optimal pitch schedule is determined, and the loadings and power performance are studied for different tip‐speed ratios and solidities. The comparison of the optimised airfoils with similar airfoils from the first generation shows a significant improvement in performance, and this proves the necessity to properly select the airfoil shape.     

MPC framework for constrained wind turbine individual pitch control

The reduction of structural loads is becoming an important objective for the wind turbine control system due to the ever‐increasing specifications/demands on wind turbine rated power and related growth of turbine dimensions. Among various control algorithms that have been researched in recent years, the individual pitch control has demonstrated its effectiveness in wind turbine load reduction. Since the individual pitch control, like other load reduction algorithms, requires higher levels of actuator activity, one must take actuator constraints into account when designing the controller. This paper presents a method for the inclusion of such constraints into a predictive wind turbine controller. It is shown that the direct inclusion of constraints would result in a control problem that is nonconvex and difficult to solve. Therefore, a modification of the constraints is proposed that ensures the convexity of the control problem. Simulation results show that the developed predictive control algorithm achieves individual pitch control objectives while satisfying all imposed constraints.     

变速风电机组仿真用数学模型研究

针对变速风电机组仿真用数学模型进行了研究。介绍了变速风电机组各种发电机的仿真数学模型以及机组运行控制策略、发电功率输出控制策略和电网负荷等建模。该模型能对风电机组设计起到指导作用。