变速变桨风力发电机组的运行控制策略研究-机械设计与理论硕士论文

变速变桨风力发电机组的 运行控制策略研究 重庆大学硕士学位论文 学术学位 学生姓名 谢双义 指导教师 杜 静 教 授 专 业 机械设计及理论 学科门类 工 学 重庆大学机械工程学院 二 O 一三年五月 Research on the Operating Control Strategies of the Variable Speed Variable Pith Wind Turbine A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master s Degree of Engineering By Xie Shuangyi Supervised by Prof Du Jing Specialty Mechanical Design and Theory College of Mechanical Engineering of Chongqing University Chongqing China May 2013 中文摘要 I 摘 要 论文详细分析描述了风力发电机组的基本运行控制策略 并针对风力机组在运 行过程中出现的塔架前后振动 塔架左右振动 传动链的扭转振动以及在额定风 速以下时由于叶片形状 质量的变化以及仿真计算的误差等因素造成的不能确定 风力机最优桨距角的问题作了详细研究 同时也对风力发电机组处于阵风工况下 时机组关键部位受载情况以及叶轮可能出现的超速运行现象进行了研究 并分别 提出了相应的控制方法 论文中依据某5MW风力发电机组参数在美国能源实验研发的一款集风力机设 计与载荷计算于一体的软件 FAST 中进行建模 并与 MATLAB simulink 软件进行 联合仿真分析 仿真结果表明论文中所提出的控制算法是有效的 本论文主要研究的内容可分为如下几章 第一章 绪论 本章介绍了所研究课题的背景 对风力发电技术的发展现状以 及它的发展趋势做了比较详细的介绍 第二章 介绍风力机组变速变桨的运行控制原理 分析了风力机组的基本运行 控制策略 包括如何控制转矩 桨距的变化以及风力机在不同风速下的控制方法 以及阶段的如何切换 第三章 基于 FAST 和 MATLAB Simulink 的风力发电机组控制器设计 本章 主要是在 FAST 软件中建立了某 5MW 风力发电机组模型 此模型是后续研究工作 的一个平台 使用 FAST 对风力机模型进行线性化分析 求得风力机变桨需要的 PI 参数以及桨距角在不同风速下的增益系数 仿真结果表明所求得的参数能很好 的满足设计要求 同时本章中针对风电机组自身阻尼非常小 在运行过程中普遍 存在塔架振动的问题对塔架前后 侧向振动控制进行了研究 并在 Simulink 中建 立仿真模型 仿真结果表明 该控制方法可以有效降低塔基处的前后 侧向弯矩 第四章 变速变桨风力机的自适应变桨控制策略 分析了风电机组在额定风速 以下的主要控制目标 并指出了目前众多确定最优桨距角方法中的不足 考虑到 风力机在安装 制造以及在运行中参数的不准确性以及发生的变化 提出了基于 离散的爬山算法的自适应变桨控制技术 在 SIMULINK 中搭建模型与 FAST 进行 联合仿真 结果表明所提出的自适应变桨控制策略能很好的追踪最优桨距角的变 化并使风力机的气动效率最优 第五章 使用状态空间方法的控制器设计 本文利用现代控制理论的有关方法 结合线性二次型调节技术 LQR 设计了统一变桨控制器 电机转矩控制器以及基于 状 重庆大学硕士学位论文 II 态观测器和扰动自适应控制技术的独立变桨控制器 在 Simulink 中搭建模型并与 FAST 进行联合仿真 结果表明所设计的控制器都能在不同程度上降低传动链的扭 转载荷以及降低叶轮转速的波动从而使电机功率输出趋于平稳 关键词 关键词 变速变桨 风力发电机 振动控制 自适应控制 状态空间 英文摘要 III ABSTRACT The paper analyzed some basic running control strategy of the wind turbines and on this basis for the wind turbine tower before after vibration drive train torsion vibration the optimal pitch angle to capture maximum wind is difficult to determine due to changes in blade shape quality and simulation error on the optimal control stage and rotor running too fast the overload of the key parts when the wind turbine is in gust load case The paper built a 5MW wind turbine model and as an object of study based on the FAST software which is used to design and calculate wind turbine load as well as MATLAB simulink software the paper made a simulation analysis The simulation verified the effectiveness of the proposed control algorithm In the thesis the major work and tasks are summarized as follows Chapter 1 Introduction This chapter introduced the research background and elaborated the status and trends of wind power technology research Chapter 2 Building a wind turbine model Based on the FAST software built a 5MW wind turbine model which can be a basis for follow up simulation and verification of the control algorithm Chapter 3 The operation control principle of the variable speed variable pitch wind turbine Analyzed the basic operation control strategy of the variable speed variable pitch wind turbine including torque control pitch control and the division and switching methods of different control stages Chapter 4 Wind turbine controller design based on the FAST and MATLAB Simulink software This chapter made a linear analysis of wind turbine model and obtained the PI parameters of wind turbine pitch and pitch angle gain coefficient at different wind speeds The simulation results showed that the obtained parameters can well meet design requirements For the wind turbine itself had very small damping and tower vibration during operation this chapter study the problems of the tower b f vibration and s s vibration and established the simulation model in Simulink software The simulation results showed that the control method can effectively reduce the b f and s s bending moment of tower base Chapter 5 Adaptive pitch control strategy of variable speed variable pitch wind turbine Analysis of the wind turbine control objectives below the rated wind speed was 重庆大学硕士学位论文 IV made and pointed out that the lack of many methods to determine the optimal pitch angle Taking into account the inaccuracies and changes of wind turbine installation manufacturing as well as the operation parameters proposed a adaptive pitch control technology based on a discrete hill climbing algorithm Made a co simulation in SIMULINK software with FAST the results showed that the proposed adaptive control strategies pitch could track the changes of optimal pitch angle and make the aerodynamic efficiency optimal of the wind turbine Chapter 6 Controller design based on of the state space technology In this paper using the method of modern control theory combined with the linear quadratic regulator LQR designed a collective pitch controller generator torque controller and independent pitch controller based on state observer and disturbance adaptive control technology Simulation in Simulink software with FAST was made and the results showed that the designed controller could reduce the drive train torsion load varying degrees as well as reduce the fluctuations of the rotor speed so that the electrical power output was stabilized Key words Variable Speed Variable Pitch Wind Turbine Vibration Control Adaptive Control State Space 目 录 V 目 录 中文摘中文摘要要 I 英文摘要英文摘要 III 1 绪绪 论论 1 1 1 国内外风力发电技术现状综述国内外风力发电技术现状综述 2 1 1 1 国内技术现状 2 1 1 2 国外技术现状 2 1 2 本课题研究的意义与主要内容本课题研究的意义与主要内容 3 1 2 1 课题的研究意义 3 1 2 2 论文的主要研究内容 4 2 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 5 2 1 风力机空气动力学特性分析风力机空气动力学特性分析 5 2 2 变速变桨风力机的运行控制策略变速变桨风力机的运行控制策略 6 2 2 1 在额定风速以下的控制 7 2 2 2 在额定风速以上的控制 9 2 3 本章小结本章小结 10 3 风力发电机组的传统控制器设计风力发电机组的传统控制器设计 11 3 1 风力发电机组主要参数介绍风力发电机组主要参数介绍 11 3 1 1 风力发电机组整机参数 11 3 1 2 叶片的结构参数 12 3 1 3 机舱及轮毂参数 12 3 1 4 传动链特性 12 3 1 5 塔架总体参数 13 3 1 6 控制系统基本参数 13 3 1 7 风模型 14 3 2 变桨变桨 PI 参数的公式推导参数的公式推导 15 3 3 变桨变桨 PI 参数的仿真分析参数的仿真分析 16 3 4 桨距角的增益调度设计桨距角的增益调度设计 18 3 5 带桨距角增益调度的仿真分析带桨距角增益调度的仿真分析 18 3 6 风力发电机组控制器的抗饱和设计风力发电机组控制器的抗饱和设计 20 3 7 风力发电机组关键部位的主动振动控制风力发电机组关键部位的主动振动控制 23 3 7 1 塔架前后振动控制 23 重庆大学硕士学位论文 VI 3 7 2 塔架前后振动仿真结果分析 25 3 7 3 塔架侧向振动控制 27 3 7 4 塔架侧向振动仿真结果分析 27 3 7 5 同时施加塔架侧向和前后振动控制的仿真结果分析 29 3 8 本章小结本章小结 31 4 变速变桨风力机的自适应变桨控制变速变桨风力机的自适应变桨控制 33 4 1 变桨控制的研究现状变桨控制的研究现状 33 4 2 自适应变桨控制设计自适应变桨控制设计 34 4 3 仿真结果仿真结果 36 4 4 本章小结本章小结 38 5 使用状态空间方法使用状态空间方法的风力发电机组控制器设计的风力发电机组控制器设计 39 5 1 使用状态空间方法使用状态空间方法的统一变桨控制器的的统一变桨控制器的设计设计 39 5 1 1 控制目标 39 5 1 2 使用 FAST 进行线性化分析 39 5 1 3 基于 LQR 的控制器设计 41 5 1 4 状态估计器的设计 42 5 1 5 使用状态估计器进行仿真分析 44 5 2 区域区域 3 上的电机转矩阻尼控制设计上的电机转矩阻尼控制设计 46 5 2 1 控制目标及参数求解 46 5 2 2 仿真分析 48 5 3 独立变桨控制独立变桨控制 50 5 3 1 控制目标 50 5 3 2 线性模型的描述 50 5 3 3 使用 FAST 进行线性化分析 51 5 3 4 扰动自适应控制 51 5 3 5 独立变桨控制器的设计 55 5 3 6 仿真分析 59 5 4 本章小结本章小结 69 6 结论与展望结论与展望 71 6 1 结论结论 71 6 2 展望展望 71 致致 谢谢 73 参考文献参考文献 75 目 录 VII 附附 录录 79 A 攻读硕士学位期间所发表的论文攻读硕士学位期间所发表的论文 79 B 攻读硕士学位期间参与的课题研究攻读硕士学位期间参与的课题研究 79 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪 论 1 1 绪 论 从古代开始 风就以不同的方式被开采利用 主要是用来磨谷以及抽水 随着 工业时代的到来 风能逐渐被化石燃料所取代 风车仅仅在农业上用来抽水 在 20 世纪 风车新的设计使其能够进行小规模的发电用来对蓄电池充电 20 世纪 70 年代爆发石油危机以后 风能技术经历了一次革命 受石油价格上涨的影响 许 多国家都提出风能 R D 计划 结果新材料技术及现代风力机设计都得以发展 进 而拉开了大规模风力发电的序幕 在过去的几十年间 随着公众对环境的关心以 及能源市场的多元化 使得人们加强了对风能开发的兴趣 目前 在可再生能源中风能的增长速度最快 最近几年来 世界各国都在大力 发展风力发电 其发展速度之快大大超出了人们之前对它的预期 其中欧洲的风 力发电处于遥遥领先的地位 1 在数量上 近几年期间欧洲风力机的装机容量以平 均每年高于 30 的速度增长 2 近年来我国政府相继出台了一些鼓励可持续发展的相关政策 风力发电行业目 前已经得到了市场机制的财力支持 总之 风力发电设施的供电成本自 20 世纪 80 年代开始已经大幅下降 供电成本的下降主要是由于新技术的开发以及更大的生 产规模产生了更大容量 更高效率以及更可靠的风力机 3 4 5 6 风力发电既清洁又安全 如今 在世界范围内风力发电技术的发展速度远远超 过其他新能源技术的发展速度 在将来风力发电很可能成为全球电力的主要来源 之一 根据估算 全球风能储量约为 1700 太瓦 而在海洋 高山以及受保护区域 的风能是采集不到的 除去这些地域以及一些风力小而不够最低开发条件的地区 外 仍然有 40 85 太瓦的风能 在目前全世界仅利用了很小一部分的风能 只有 0 02 太瓦 7 中国的可供开发利用的风能储量至少有十几亿千瓦 在实现中国的 节能减排目标的要求下大力发展风能发电是一条很重要的途径 风能利用最主要 的形式就是使其发电 而且它的成本低于其他新能源的发电成本 并且随着技术 的发展还会有进一步降低的可能 2006 年中国的风能发电装机总容量仅有 2588MW 当到了 2008 年的时候就增 加到了 12121MW 年平均增长率达到惊人的 116 从中国风能协会的有关预测 中可以知道 我国的风力发电装机容量在 2010 年的时候可达 2000MW 到 2020 年时就可以达到 8000MW 而在 2030 年能达到 18000MW 最后到 2050 年的时候 接近 50000MW 中国政府决定在未来将强力支持智能化电网的建设 并下决心解 决风电输送中的一系列技术问题 可以预计在未来风电将成为我国电力的主要来 源之一 8 重庆大学硕士学位论文 2 风能不仅可以为人们提供无穷无尽的能量 同时也在悄悄地促进经济和社会的 发展 风能供应不仅有着安全性 还能降低其他能源物质的价格波动 在进一步 创造更多就业机会的同时 也能有效减少二氧化碳等温室气体的排放 因此在世 界上的众多国家 都采用风能发电的形式作为一种主要能源供给 就是因为风能 发电有着成本低 风险低 绿色环保的显著特点 同时在采用这一技术时 也无 形之中为社会创造了大量的就业岗位和工作岗位 因此 世界上的其他国家包括 中国在内都应该努力从这些国家中学习一些先进经验 并建立一些相关的政策 使风能发电能从而为本国造福 9 10 11 1 1 国内外风力发电技术现状综述 1 1 1 国内技术现状 我国风力发电机组的研制技术所表现出来的发展趋势大体是风力机组功率逐 渐趋于大型化 2010年 我国风力发电机组新增功率平均为1 466 8kW 大于2009 年的1 362 7kW 当年新增安装的12904台风力发电机组中 主要风力机组类型为 1 5MW 和2MW 其中 9 793台1 5MW 的风力发电机组 容量总和为14 687MW 占当年新增机组的77 6 2MW 风力发电机组共安装980台 容量总和为1960MW 占当年新增机组总量的10 4 同时 安装了2 5MW 及以上的风力发电机组共33 台 容量总和为94 2MW 占当年新增机组总量的0 63 12 在我国现已投入生产的风力发电机组中 占主导地位的是三叶片 水平轴 上 风向 双馈式变速变桨恒频风力发电机组 而这种风力发电机同时也是国际上比 较通用的一种机组 近年来 国内直驱式风电机组研制技术也发展较快 如金风 湘电风能研制的直驱式风电机组都已批量投产 有企业在新产品研发中还采用了 介于直驱式和双馈式之间的半直驱式传动技术 这些技术目前虽称不上是技术发 展趋势 但也代表了不同的技术发展方向 13 在国内风力机的控制器大多采用的是变桨距控制系统 即在额定风速以上时 桨距角随风速的变化而变化 从而维持电功率输出的稳定 最近 国内对风力发 电机控制系统的研究也很多 逐渐产生了如神经网络控制方法 模糊控制方法 模糊 PID 控制方法以及模糊 神经网络控制方法 对风力机控制器的研究发展起 到了巨大的作用 1 1 2 国外技术现状 全球风电开发商为 1334 家 运营商 1945 家 其中位居全球前五的开发商有西 班牙的伊博罗拉 Iberdrola 美国的 NextEra 中国的龙源电力 葡萄牙的 EDP Renovaveis 和西班牙的 Acciona 能源 2010 年底 其风电累计装机容量均超过 了 6GW 其中西班牙的伊博罗拉 美国的 NextEra 累计风电装机分别超过 12GW 1 绪 论 3 和 8GW 受到海上风电提速的刺激 世界大型风电装备制造商开始开发用于海上 的大型风力机 目前 瑞能 Repower 5MW 和 6MW 阿海珐与德国 Bard 的 5MW 安耐康的 4 5MW 和 6MW 风力机已经开始批量生产 并投入运行 西门子风电 3 6MW 华锐风电 风电机组也已宣布下线 此外 维斯塔斯也宣布其 6MW 风电机组将在明年下线 美国 Clipper 甚至已开始了 10MW 风力机的研发 而中国 如金风科技 湘电等一批企业也接踵而至 纷纷进入风力机大型化的竞争行列 从已投入运行风力机的情况来看 风力机平均功率继续朝着更大的方向发展 2010 年全球风力机的平均功率达到 1 665kW 比 2009 年增加了 56kW 功率在 1 500 2 500kW 的风电机组 在新增市场中所占的比例从 2008 年的 80 4 增加到 2010 年 的 83 1 主流风力机的地位不言而喻 这主要是因为强势增长的中国风电市场中 风力机的平均功率仅为 1 469kW 同时由通用主导的美国市场又大部分安装了其 1 5MW 的风力机 而小于 1 500kW 的风力机则从 2008 年的 13 6 降至 2010 年 的 8 5 由维斯塔斯 西门子风电和安耐康主导的 2 5MW 以上的机型目前在市场 上仍仅占很小的一部分 国外最早的风力发电控制系统是定桨距控制系统 而对于定桨距控制系统来 说 它的风能利用效率并不高 现在大多数的风力机控制系统采用的变速变桨控 制系统 而这个系统的风能利用系数相比前者则提高很多 而在变桨控制系统当 中又可分为统一变桨和独立变桨 所谓统一变桨即所有叶片的桨距角变化是相同 的 而独立变桨是指每个叶片的桨距角变化是不一样的 而具体的桨距角变化的 依据则是很多的 如叶根处的力矩不同 在叶片长度方向上某点处风速的不同等 对于统一变桨来说 国外学者还研究了基于卡尔曼滤波的前馈控制方法 对于降 低风力机关键部位的载荷起到了很好的作用 另外还有的学者研究了雷达测风速 的技术作为前馈控制的一部分 以便能够对风速做一个提前预测 1 2 本课题研究的意义与主要内容 1 2 1 课题的研究意义 最近 随着风力机功率的不断增加以及一些主要国家将风能应用到更为广阔的 实用网络 促进了电子变流器和机械执行器的运用 在风力机的运行过程中除了 能够获得更多的能量 通过对变速风力机的控制可以减少传动系统和塔架结构的 负荷 从而延长装置的寿命 越来越多的现代风力机带有用来控制叶片桨距角的 机械执行器 桨距角的控制通常是用来限制额定风速以上所捕获的能量 带来了 更多的低成本高效率的设计 变速变桨风力机的高度复杂性的特点在很大程度上 可以由它控制更加灵活的优点来弥补 即更高转换效率 更好的发电质量 更长 的使用寿命等 这样 控制对捕获风能的成本就产生了直接的影响 而且 高性 重庆大学硕士学位论文 4 能和可信赖的控制对于提高风力发电技术的竞争力来说也是十分必要的 目前 国内大型风力机的控制系统主要是奥地利的 Windtech 和丹麦的 MITA 现在维斯塔斯等主要风力发电机制造公司的兆瓦级及以上级别的风力发电机组已 安装了自动监控运行系统 并实现无人在岗值班功能 此风力发电机的维护和操 作也发生了革命性的改变 而目前在国内仅有少数的公司 如北京的科诺伟业公 司 浙江的运达公司以及南瑞的电气公司等在开发风力机的控制系统 兆瓦级风 力机的控制器的研发在国内有着非常广阔的市场空间和经济利益 因此兆瓦级风 力机控制器的国产化对促进中国的风力发电事业的健康并快速发展 同时降低采 用风力进行发电的成本 以及进一步缩小中国与发达国家在风力发电技术等方面 的差距有着很大的价值和意义 8 1 2 2 论文的主要研究内容 考虑到现代风电机组的大型化 复杂化和对变速变桨的要求 论文以某 5MW 风电机组作为研究的对象 并对此机型进行了建模 分析了其基本控制策略并在 此基础上对正常发电工况的控制策略 自适应变桨控制策略以及塔架左右前后振 动以及传动链振动问题进行了研究 通过 FAST 软件以及 MATLAB Simulink 仿真 软件对控制器进行仿真 验证控制策略的正确性 主要内容如图 1 1 所示 变速变桨风力发电机组运行控制策略 变速变桨风电 机组的基本控 制策略 变速变桨风力 机的自适应变 桨控制 基于状态空间 的风力机控制 器设计 风力发电机组 传统控制器的 设计 风力发电发展 现状 趋势 结论与展望 图 1 1 论文主要研究内容 Fig 1 1 The main research contents of the degree thesis 2 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 5 2 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 2 1 风力机空气动力学特性分析 风力发电系统由机械部分和电能转化部分组成 对于机械部分 由空气动力学 14 可知 风力机从风能捕获的机械能功率为 23 1 2 apair PCR v 2 1 r R v 2 2 式中 air 为空气密度 R 为叶轮半径 v为风速 为叶尖速比 为桨距角 r 为叶轮转速 p C为风能利用系数 它是 和 的函数 8 基于本文模拟的 5MW 风电机组采用 WT Perf 软件 15 可得 p C曲面 如图 2 1 所示 10 0 10 200 5 10 15 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 叶尖速比 叶片桨距角 Cp 图 2 1 变速变桨风力发电机组功率系数曲线 Fig2 1 Power coefficients for VSVP wind turbines 从图中可以看出 p C随叶尖速比和桨距角的变化而变化且值存在一个最大 值 p C在理论上存在一个最大值为 0 593 称为贝茨极限 16 18 风力机叶轮的气动转换过程可用下面两个类似的非线性方程来表示 从图 2 1 可知风轮转速或风速改变将引起 变化 影响 Cp 从而改变 Pa 表达式为 32 1 2 aq TRCv 2 3 重庆大学硕士学位论文 6 22 1 2 at FRCv 2 4 其中 a T为气动转矩 q C为转矩系数 它与功率系数的关系为 qp CC a F 为气动力 t C为推力系数 基于 WT Perf 软件 9 的 Cq 曲面如图 2 2 所示 图 2 2 变速变桨风力发电机组转矩系数曲线 Fig2 2 Torque coefficients for VSVP wind turbine 2 2 变速变桨风力机的运行控制策略 变速变桨风力发电机组的整个运行控制阶段大致可以分为三个阶段 低风速阶 段 过渡阶段以及高风速阶段 其区间划分如图 2 3 所示 2 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 7 图 2 3 变速变桨风力机的运行控制策略 Fig 2 3 Control of Variable speed Variable pitch Wind Turbines 由图 2 3 可以看出 在低风速区间 区间 风轮转速随风速变化而变化以维 持 opt opt 为最佳叶尖速比 而桨距角则恒定在 opt 最佳桨距角 对于本 论文模拟的 5MW 机组来说 opt 0 度 使风力机转换效率最大化 当风速为 n V 时 就达到风力机的额定转速 n 当风力机运行在区间 区域时风轮转速基本保持恒 速 n 在过渡区间内 区间 桨距角仍保持在最优桨距角上 当风速高于额定 值 即风力机运行在区间 时 风力机叶片就需要进行变桨动作 从而将风力 机捕获的能量限定在风力机的额定功率 N P 附近 2 2 1 在额定风速以下的控制 图 2 4 给出的是风力发电机组的控制框图 其控制细节如图所示 重庆大学硕士学位论文 8 最优桨距角 变桨控制 风轮转速控 制规则 转矩控制 叶 轮 测量到的发电机转速 风速 图 2 4 风力发电机组的控制框图 Fig 2 4 Control block diagram of wind turbine 风速在额定风速以下时 通过控制发电机的转矩使风力发电机尽量获取多的能 量 其控制细节图如下 能量转换系统 齿轮箱发电机 图 2 5 风力发电机组的能量转换系统 Fig 2 5 Energy conversion system of wind turbine 转矩控制方式 通常变速变桨风力发电机组均按照二次曲线图进行转矩给定 2 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 9 A B CD 电机转速 电 机 转 矩 rat e T 1 11 2 2 21 2 3 图 2 6 发电机转速与转矩关系曲线 Fig 2 6 Generator speed versus torque operating curve 在区域 中 电机转矩 opt goptg TK 其中 opt K为最优增益 g T为发电机转矩 opt g 为发电机最优转速 2 2 2 在额定风速以上的控制 风速在额定风速以上时 通过变桨使发电机输出的功率维持在额定功率附近 其桨距控制方式如图 2 7 和图 2 8 所示 滤波 测定点 设定点 设定点 恒功率 防饱和 积分 PI 图 2 7 启动和过渡区的控制框图 Fig 2 7 Control block diagram for the start and transition regions of wind turbine PI控制器被控对象 发电机转速测量值 发电机转速设定点 滤波 图 2 8 变桨 PI 控制框图 Fig 2 8 PI Control block diagram for pitching 重庆大学硕士学位论文 10 此处 PI 控制器的输入为电机转速偏差 输出为叶片桨距角 2 3 本章小结 本章主要介绍了变速变桨风力发电机组的空气动力学知识 控制技术以及运行 区间 并在额定风速以上和额定风速以下两种情况下对风力发电机组的控制技术 做了详细介绍 3 风力发电机组的传统控制器设计 11 3 风力发电机组的传统控制器设计 3 1 风力发电机组主要参数介绍 本论文中讨论的 5MW 风电机组由三个叶片 机舱 塔架几个部件构成 部件 之间的几何拓扑关系如图 3 1 所示 图 3 1 三叶片风力发电机组几何拓扑结构 Fig 3 1 The topological structure of three bladed wind turbine 3 1 1 风力发电机组整机参数 对于本论文研究的 5MW 近海风电机组来说 其叶轮半径约 63 米 轮毂中心 的高度是 90 米 其详细参数见下表 表 3 1 5MW 机组参数表 Table 3 1 The parameters table of 5MW wind turbine 额定功率 MW 5 叶片数及方向 3 叶片 上风向 控制 变速变桨 传动链 高速 多级齿轮箱 叶片和轮毂长度 m 126 3 轮毂高度 m 90 切入 切出及额定风速 m s 3 25 11 4 叶轮额定转速 rpm 12 1 叶片质量 kg 110000 机舱质量 kg 240000 塔筒质量 kg 347460 重庆大学硕士学位论文 12 3 1 2 叶片的结构参数 叶片结构的参数见表 3 2 表 3 2 叶片的结构参数 Table 3 2 The structural parameters of blades 长度 m 61 5 质量缩放因子 4 536 叶片总质量 kg 17740 结构阻尼比 0 477465 3 1 3 机舱及轮毂参数 表 3 3 机舱及轮毂参数 Table 3 3 The structural parameters of the nacelle and hub 偏航轴承相对于地面的高度 m 87 6 从偏航轴承到轴的垂直距离 m 1 96256 从轮毂中心到偏航轴承的距离 m 5 01910 从轮毂中心到主轴承的距离 m 1 912 轮毂质量 kg 56780 轮毂关于低速轴的转动惯量 2 kg m 116925 机舱质量 kg 240000 机舱关于偏航轴承的转动惯量 2 kg m 2607890 沿风向机舱质心位置距偏航轴距离 m 1 9 机舱质心位置高于偏航轴承的距离 m 1 75 等效机舱 偏航执行器线弹性系数 N m rad 9028320000 等效机舱 偏航执行器线弹阻尼系数 N mrads 19160000 名义机舱偏航速率 s 0 3 3 1 4 传动链特性 表 3 4 传动链特性 Table 3 4 Drive train properties 叶轮额定转速 rpm 12 1 发电机额定转速 rpm 1173 7 传动比 97 发电机效率 94 4 发电机关于高速轴的转动惯量 2 kg m 534 116 等效传动链扭转弹性系数 N m rad 86763700 等效传动链扭转阻尼系数 N mrads 6215000 全调度高速刹车转矩 N m 28116 2 高速轴刹车时间常数 s 0 6 3 风力发电机组的传统控制器设计 13 3 1 5 塔架总体参数 表 3 5 塔架总体参数 Table 3 5 Tower overall properties 地面以上的高度 m 87 6 总质量 kg 347 460 结构的阻尼比 1 3 1 6 控制系统基本参数 表 3 6 控制系统基本参数 Table 3 6 Baseline Control System Properties 发电机转速低通滤波器的角频率 Hz 0 25 最大功率系数 0 482 在最大功率系数时的叶尖速比 7 55 在最大功率系数时的统一变桨的角度 0 0 发电机在区域 2 时的转矩常数 2 N m rpm 0 0255764 额定机械功率 MW 5 296610 额定发电机转矩 N m 43093 55 在区域 1 与 1 1 2 之间发电机过渡转速 rpm 670 在区域 1 1 2 与 2 之间发电机过渡转速 rpm 871 在区域 2 1 2 与 3 之间发电机过渡转速 rpm 1161 963 在区域 2 1 2 时发电机的滑差率 10 发电机最大转矩 N m 47402 91 最大发电机转矩速率 N m s 15000 比例增益 s 0 01882681 积分增益 0 008068634 最小桨距角 0 最大桨距角 90 最大绝对变桨速率 s 8 等效变桨执行器线弹性系数 N m rad 971350000 等效变桨执行器线阻尼系数 N mrads 206000 重庆大学硕士学位论文 14 3 1 7 风模型 常风 所谓常风就是指风速以及风向都不随时间变化的风 3D 湍流风 所谓湍流风就是指在空间和时间上都在变化的风 定义湍流风时需要定义如下 参数 见表 3 7 表 3 7 定义湍流风需要的参数 Table 3 7 The parameters required by the definition of turbulent wind 参数名称 备注 在参考高度处扰动风的平均风速 平均风速的高度 平均风速适用的参考点 如果定义了风剪切 则其他 任何点处的风速都是不同的 湍流强度 如果需要定义的是三维湍流风 则需要指定每个分量 的湍流强度 风倾角 对于非水平方向的风来说 正值表示向上倾斜的风 阵风 阵风的波形主要有三种 分别是全波 半波和 IEC 2 波形 如图 3 2 所示 图 3 2 正弦瞬变风的定义 Fig 3 2 Definition of the gust wind 3 风力发电机组的传统控制器设计 15 除了以上几种类型的风之外 还需要考虑塔影的效应和风剪切对风电机组的影 响 所谓风剪切就是指当高度变化时平均风速大小也发生变化且是稳态的 可用 下面的两种模型来表示 第一种为指数模型 设距地面h高度处的风速大小为 hV 则 hV可用下式来表示 0 0 h h hVhV 3 1 式中 0 h为系统参考高度 为风剪系数 第二种为对数形式的模型 此模型中要用到地表的粗糙度值 设距地面h高度处的风速大小 hV 则 hV可用下式表示 00 0 0 z hlog z hlog hVhV 3 2 其中 0 z地面粗糙度值 0 h为参考高度 所谓塔影效应就是指处在风场中的塔筒或塔架对稳态风场产生的畸变效应 塔 影效应可用三种模型来表示 一种是用于上风向风力机的潜流模型 一种是用于 下风向风机的经验塔尾迹模型 而最后一种就是前两种模型的组合 3 2 变桨 PI 参数的公式推导 如图 2 6 中所示 在区域 3 处的目标就是使电机转矩基本保持恒定并通过对叶 片进行变桨来控制叶轮转速维持在额定值附近 可以用式 3 3 来表示此控制器设计 的简单线性模型 d ABBw 3 3 其中 rot A I d rot B I rot B I rot I为总的转动惯量 包括叶轮 齿轮箱 轴 电机等 而 aero Q aero Q aero Q w 其中 aero Q为叶轮的气动转 矩 为叶轮转速 为叶片桨距角 w为轮毂高度处穿过叶轮盘的均匀风速扰动 成分 标准 PID 可用式 3 4 表示 PgearIgearDgear tK NtKNt dt K Nt 3 4 其中 gear N为齿轮箱传动比 对式 3 4 两边进行拉氏变换 可得到下面的等式 重庆大学硕士学位论文 16 1 PgearIgearDgear sK NsKNsK Nss s 3 5 对式 3 5 进一步变换可得到 d s sABsBw s 1 Pg e a rIg e a rDg e a rd B K NsKNsK NssBw s s 3 6 由等式 3 6 可得传递函数 2 1 d c DgearPgearIgear B ss T s w sBK NsABK NsBK N 3 7 由劳斯判据 19 可知 系统稳定的充要条件就是其特征方程的各项系数均 为正 由此我们可以得到 10 Dg e a r B K N 0 Pgear ABK N 0 Ig e a r B K N 3 8 在区域 3 中选择线性化点 0 18 wm s 12 1rpm 00 261635rad 其中 0 表示风速 表示叶轮转速 0 表示叶片桨距角 使用 FAST 对系统进行线性化可得 A 0 5536 B 1 1865 此时可以 给出稳定性条件 0 I K 0 00481 P K 0 00571 D K 将式 2 1 0 DgearPgearIgear BK NsABK NsBK N 3 9 转化为特征方程的一般形式 22 20swsw 进行分析 其中 2 1 Igear Dgear BK N w BK N 2 1 Pgear Dgear ABK N w BK N 3 10 则 PI KK可用下式来表示 2 1 2 1 Dg e a r I Dg e a r P g e a rg e a r wB KN K B wB KN A K B NB N 3 11 3 3 变桨 PI 参数的仿真分析 本章借助 MATLAB Simulink 仿真软件搭建模型与 FAST 进行联合仿真 确定 PI 参数并验证所选参数的合理性 3 风力发电机组的传统控制器设计 17 图 3 3 变桨控制器的 simulink 模型 无增益调度 Fig 3 3 Simulink model of pitch controller without gain schedule 采用阶跃风作为激励 此阶跃风在 60s 的时候风速由 17m s 变为 18m s 令 0 D K w 0 6rad s 19 带入式 4 8 可求得0 021257 P K 0 003128 I K 当取 不同的 值时 叶轮的响应会有所不同 其仿真结果如下图所示 11 8 11 9 12 12 1 12 2 12 3 12 4 12 5 507090110130150 时间 s 叶轮转速 rpm 1 0 0 8 2 5 图 3 4 取不同的 值时叶轮的响应 Fig 3 4 The response of rotor when select different values of 从图中可以看出 当 的值为 2 5 和 0 8 时 叶轮转速会出现不同程度的震荡 而当 的值选 1 0 时较好 重庆大学硕士学位论文 18 接下来 在靠近区域 2 5 处的区域 3 中选择一个线性化点 如 0 12 1 wm s 12 1rpm 00 0761591rad 此时 经线性化后可求得 A 0 3721 B 0 4164 利用公式 4 8 可以求得0 020496 P K 0 0089128 I K 此时 选择另一个线性化 点 使此处的线性化结果中的 B 值为上一个线性化结果中 B 值的两倍 经反复验 证 选择的线性化点为 0 14 9 wm s 12 1rpm 0 0 180737rad 此时 A 0 4451 B 0 8215 3 4 桨距角的增益调度设计 变速变桨风力发电机组的桨距角参考值可由风速 电机转速以及电机输出功率 这三个参数来控制 本论文中选择电机转速作为变桨控制控制器的输入量 发电 机转速经滤波后的反馈信号与转速给定值的偏差作为 PI 控制器的输入信号 20 21 PI 控制器输出桨距角参考值 由于桨距角与风速之间是非线性关系 在较高风速 条件下 桨距角的微小变动也会引起转矩较大的波动 一般情况下 当桨距角发 生变化时转矩的改变几乎是线性的 于是为了补偿转矩的波动 可以通过设置控 制器的增益调度来实现 所谓增益调度就是指随风力机运行点的变化而