本文關鍵詞：海上風力發(fā)電機組變槳距控制技術研究

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【摘要】：為應對能源危機和氣候變化帶來的巨大挑戰(zhàn),全球大力發(fā)展可再生能源。其中風能是可再生能源的重要組成部分,目前陸上的風資源開發(fā)已經比較成熟,然而海上風電開發(fā)技術相對比較落后,主要由于海上風電場條件復雜,它除了受陸上的一系列外部條件制約外,還受到如鹽霧腐蝕、臺風襲擊、海浪海冰撞擊等惡劣氣候條件的影響。但海上風資源豐富,隨著技術難題的解決,海上風電具有更多的優(yōu)勢。目前海上風電技術正處在探索、研究、發(fā)展之中。論文首先通過空氣動力學原理對變槳距控制技術風電機組運行產生的影響進行分析,由風切變和塔影效應出發(fā),利用能量守恒定律、動量守恒定律完成對風能轉換過程及風能利用系數數學模型的建立。針對海上風電機組復雜非線性、多輸入高產出、強耦合的特點,建立海上風況、風電機組的風輪結構、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機構和發(fā)電機的數學模型,為后續(xù)章節(jié)研究變槳距控制技術奠定基礎。其次,對風力發(fā)電機仿真軟件FAST進行討論,介紹了FAST軟件工作原理。在空氣動力學的基礎上,應用FAST軟件建立某5MW水平軸三葉片漂浮式風電機組模型,包括風輪系統(tǒng)空氣動力學模型、風速模型和結構動力學模型,整個模型就是后續(xù)研究工作的平臺。通過FAST軟件對風電機組模型進行線性化分析,確定統(tǒng)一變槳距控制器PID的參數,仿真結果表明該控制方法能較好的滿足設計要求。獨立變槳距控制是在統(tǒng)一變槳距控制的基礎上發(fā)展起來的一種重要的控制技術,目前在國外廣泛采用。為了減小風力機疲勞載荷,穩(wěn)定發(fā)電機輸出功率,延長風機使用壽命,利用現代控制理論設計一種基于LQR狀態(tài)空間方法的獨立變槳距控制器,先建立漂浮式平臺與錨泊系統(tǒng)的運動學和動力學模型,然后將耦合的空氣動力載荷與水動力載荷加載到漂浮式風電機組多柔體動力學模型上,結合控制器在FAST軟件中進行漂浮式風電機組的動態(tài)結構仿真分析。仿真結果表明浮式風電機組的槳葉載荷應力相對統(tǒng)一變槳控制有所減小,輸出功率更加穩(wěn)定,驗證了該控制策略的正確性和有效性。
【關鍵詞】：漂浮式風電機組 動力學 FAST 變槳距控制 狀態(tài)空間
【學位授予單位】：湖南工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM315;TP273
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 研究的背景及意義9-10
• 1.2 國內外海上風力發(fā)電研究現狀10-13
• 1.2.1 國外海上風力發(fā)電的現狀10-11
• 1.2.2 國內海上風力發(fā)電的現狀11-13
• 1.3 風力機及其控制技術概述13-17
• 1.3.1 風力機簡介14-15
• 1.3.2 控制技術發(fā)展概述15-17
• 1.4 本課題主要研究內容17-19
• 第二章 海上風力發(fā)電機組變槳距運行基本原理19-36
• 2.1 風速變化特性19-20
• 2.1.1 風切變效應19-20
• 2.1.2 塔影效應20
• 2.2 風力發(fā)電機空氣動力學原理20-26
• 2.2.1 風能計算20-21
• 2.2.2 貝茲極限理論21-23
• 2.2.3 槳葉葉素動量理論23-26
• 2.3 變槳距系統(tǒng)數學模型26-32
• 2.3.1 海上風況26-28
• 2.3.2 風輪模型28-29
• 2.3.3 傳動鏈數學模型29-30
• 2.3.4 變槳距執(zhí)行機構模型30-31
• 2.3.5 發(fā)電機模型31-32
• 2.4 風電機組變槳距運行控制策略32-34
• 2.4.1 在額定風速以下的運行控制32-33
• 2.4.2 在額定風速以上的運行控制33-34
• 2.5 本章小結34-36
• 第三章 基于FAST的海上風力發(fā)電機組傳統(tǒng)控制器設計36-51
• 3.1 FAST工作原理36-39
• 3.1.1 FAST運行所需要的文件37
• 3.1.2 運行FAST37-38
• 3.1.3 FAST輸出結果以及后處理38-39
• 3.2 對FAST運行中運用的原理分析39-43
• 3.2.1 FAST中線性化模型的計算39-41
• 3.2.2 FAST中周期穩(wěn)態(tài)解的計算41-43
• 3.3 風力發(fā)電機組主要參數介紹43-45
• 3.4 基于PID的統(tǒng)一變槳距控制器設計45-48
• 3.4.1 PID控制原理概述45-47
• 3.4.2 變槳距PID參數的公式推導47-48
• 3.5 仿真結果與分析48-50
• 3.6 本章小結50-51
• 第四章 漂浮式風力發(fā)電機組獨立變槳距控制器設計51-71
• 4.1 漂浮式基礎平臺的動力學模型51-54
• 4.2 系泊纜繩系統(tǒng)的水動力學模型54-57
• 4.3 基于狀態(tài)空間反饋的風力發(fā)電獨立變槳距控制57-61
• 4.3.1 控制目標57-58
• 4.3.2 使用FAST進行模型線性化分析58
• 4.3.3 基于LQR狀態(tài)空間方法的獨立變槳距控制器設計58-61
• 4.4 漂浮式風電機組多柔體動力學仿真建模61-63
• 4.5 仿真結果與分析63-70
• 4.5.1 葉根載荷分析63-66
• 4.5.2 浮式平臺振蕩分析66-67
• 4.5.3 系泊纜繩受力分析67-68
• 4.5.4 整機載荷及性能對比分析68-70
• 4.6 本章小結70-71
• 第五章 結論與展望71-73
• 5.1 結論71-72
• 5.2 展望72-73
• 參考文獻73-76
• 攻讀學位期間主要研究成果76-77
• 附錄77-81
• 致謝81

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