大型風機異步變槳技術的研究.pdf

1、統(tǒng)一變槳距風力機設計的假定前提是整個風輪掃掠面內風速分布是均勻的。在實際風場中，由于風剪切、塔影效應和湍流的影響，槳葉在不同位置的風速各不相同，在風輪掃掠面內的不同位置所受的升力不同，即風輪在旋轉過程中存在額外阻力，產(chǎn)生的風輪轉矩持續(xù)變化，影響風力機的輸出功率以及電能質量，還造成槳葉和風輪上的載荷不平衡，引起槳葉的拍打振動和扭矩波動。扭矩的波動將引起作用在風輪主軸、傳動鏈、輪轂、偏航軸承和塔架上的扭矩負載波動，帶來風機機械強度、振動、疲

2、勞壽命和電能質量等方面的問題。本論文著重針對風剪切、塔影效應和湍流影響下的統(tǒng)一槳距角給定、風速的建模、大型風機的氣動建模、風輪轉矩模擬、異步變槳控制策略及異步變槳系統(tǒng)的設計等方面進行研究。
　　 首先，針對風力發(fā)電機組輸出功率受風速隨機性影響的問題，提出了一種基于模糊切換的前饋模糊與Fuzzy-PID相結合的統(tǒng)一槳距角給定的變槳控制策略，并在直驅永磁風力發(fā)電機組的統(tǒng)一變槳控制系統(tǒng)中進行了仿真驗證。結果表明采用該控制策略的統(tǒng)一變槳

3、控制器比常規(guī)PID變槳控制器和Fuzzy-PID變槳控制器具有更好抗擾動能力，動、靜態(tài)性能有很大的提高，具有較強的實用性。同時，基于模糊切換的前饋模糊與Fuzzy-PID相結合的統(tǒng)一槳距角給定，為異步變槳控制系統(tǒng)的優(yōu)越性比較提供了參照。
　　 常規(guī)風輪模型中的統(tǒng)一槳距角與風機氣動載荷的影響相互耦合，不能分離出風剪切、塔影效應和湍流對單個槳葉上的氣動載荷、風輪轉矩、風力發(fā)電機組輸出功率及其并網(wǎng)點電壓的波動影響。本文針對忽略葉尖損失

4、和輪轂損失、槳葉數(shù)無窮大的假設以及槳葉根部和葉尖部的葉素所受力矩差別巨大，提出一種新型的大型風機的氣動建模方法，基于該方法計算風機在風剪切、塔影效應和湍流等氣動不平衡因素下所受氣動載荷，推導出風輪氣動載荷的影響規(guī)律，為基于異步變槳的風力機數(shù)學模型提供基礎以及給異步變槳控制策略提供理論指導，解決了統(tǒng)一槳距角與風機氣動載荷的耦合問題。建立了虛擬風場和風輪轉矩模擬的實驗平臺，驗證了風輪模型的準確性和優(yōu)越性，為進一步研究異步變槳技術奠定了基礎。

5、
　　 針對風輪轉矩波動，本文通過對單個槳葉和風輪的載荷進行分析，首次提出一種新型的基于擺振力矩的異步變槳控制策略，直接減少槳葉上的力矩波動以及風輪轉矩波動等。在建立風力發(fā)電機組的數(shù)學模型的基礎上，對多段動態(tài)權系數(shù)分配和單神經(jīng)元自適應PID兩種異步變槳控制策略進行比較，仿真證明了基于單神經(jīng)元自適應PID的異步變槳控制策略對于擺振力矩的波動和風輪轉矩波動的減少具有更好的控制效果。另外，為了同時減少風輪轉矩波動和風輪上不平衡載荷，本

6、文在基于揮舞力矩的異步變槳控制上，提出了一種基于擺振力矩和揮舞力矩反饋的異步變槳控制策略，即在統(tǒng)一槳距角給定的基礎上，通過權系數(shù)優(yōu)化擺振的槳距角偏差和揮舞的槳距角偏差，將其之和作為每個槳葉的槳距角給定，并在直驅永磁風力發(fā)電機組的異步變槳控制系統(tǒng)對該異步變槳控制策略進行仿真驗證，結果表明基于擺振力矩和揮舞力矩的異步變槳控制系統(tǒng)不僅對風輪轉矩波動的控制效果較好，而且對風輪上的不平衡載荷也具有很好的抑制作用。
　　 針對風輪轉矩和傳動

7、軸扭矩的難以檢測的問題，提出了一種基于電功率的傳動鏈扭矩逆向估算方法。首先通過實際測量風輪轉速、發(fā)電機轉速以及定子電流電壓求得發(fā)電機電磁轉矩，然后根據(jù)建立的傳動鏈扭矩計算的逆模型，逆向推算出風輪轉矩和傳動軸的扭矩，最后通過仿真驗證風輪轉矩和傳動軸扭矩的觀測技術的正確性。
　　 最后對異步變槳系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)。詳細設計了異步變槳系統(tǒng)的結構，具體計算了槳葉的變槳載荷，設計了電伺服驅動控制器，建立了電伺服變槳距的硬件和軟件系統(tǒng)，其