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兆瓦级风力发电机组独立变桨距载荷分布优化控制策略

作　者: 梁晶晶
导　师: 王湘明；邓英
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 风力发电机组 变桨距 载荷控制 状态空间模型 H_∞鲁棒控制
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 334次
引　用: 5次
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内容摘要


风力发电是一种可持续发展的可再生能源,不仅节约常规能源,而且可以减少环境污染,具有较好的经济效益和社会效益,越来越受到各国的重视。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统,因此,控制技术是机组安全高效运行的关键。随着风力发电机组向大型化、轻量化方向发展,其组成零部件的柔度不断加大,系统固有频率逐渐降低。由载荷引发的机组零部件长时间振动加剧,会导致零部件的严重疲劳损坏。由于风的时变性,为了最大的从风中吸收能量,提高风力发电机组的出力,提高功率系数,避免阵风对风力发电机组的损坏,减小载荷波动对风力发电机组的影响,必须要对风力发电机组载荷进行控制。本文以空气动力学、经典控制理论和现代控制理论为基础,首先根掘风力发电机组的工作特点明确了风力发电机组风轮载荷产生的原因,并分类加以分析;其次通过对其计算模型的建立,分析载荷与风速之间的关系,得到其动态特性,建立出独立变桨距载荷控制系统的状态空间模型;再对风切变作用对载荷的影响进行分析,得到了桨距角与扰动风速之间的控制规律,从而研究出一种风力发电机组独立变桨距载荷优化控制策略,即利用H∞鲁棒控制算法对模型进行优化,针对不同高度下风对载荷的影响研究相应的优化控制策略,最终达到消除扰动,减小风力发电机组振动的目的。从仿真的结果中可以看出,利用H∞鲁棒控制算法设计的独立变桨距载荷优化分布控制器可使风轮上所受载荷的分布变得均匀,风力发电机组振动明显减小,使机组具有较好的鲁棒稳定性和动态性能,实现了风力发电机组的良好控制。本文是在沈阳工业大学风能研究所软件部国家863项目“风力发电机组设计及其工具软件开发”(项目编号2006AA05Z429)的帮助下完成的。本论文所进行的工作是该课题的专题之一。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 风力发电的意义及背景  10
  1.2 风力发电机组技术的发展现状及趋势  10-15
    1.2.1 风力发电机组技术的发展现状  10-11
    1.2.2 风力发电机组技术的发展趋势  11-15
  1.3 载荷控制技术的基本方法介绍  15-17
    1.3.1 载荷控制技术概述  15
    1.3.2 载荷控制的基本方法  15-17
  1.4 课题的研究内容与完成的工作  17
  1.5 本章小结  17-18
第二章 风力发电机组载荷的研究  18-30
  2.1 载荷的定义  18-19
  2.2 风轮空气动力载荷计算方法的研究  19-26
    2.2.1 动量理论  19-22
    2.2.2 叶素理论  22-23
    2.2.3 动量—叶素理论  23-25
    2.2.4 叶片梢部损失和根部损失修正  25-26
    2.2.5 风轮气动载荷计算公式  26
  2.3 风力发电机载荷计算模型的建立  26-29
    2.3.1 叶片模型  27-28
    2.3.2 风轮模型  28
    2.3.3 塔架模型  28
    2.3.4 风模型  28
    2.3.5 载荷计算结果  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 风力发电机组独立变桨距控制系统的研究  30-35
  3.1 变桨距控制的发展背景  30-31
  3.2 变桨距风力发电机组的特点  31-32
  3.3 独立变桨距控制系统  32
  3.4 变桨距控制的调节原理  32-34
  3.5 本章小结  34-35
第四章 风力发电机组独立变桨距载荷控制线性状态空间模型的建立  35-56
  4.1 建立模型的理论基础  35-44
    4.1.1 控制系统的时域分析  35-39
    4.1.2 状态空间法  39-44
  4.2 风力发电机组变桨距系统模型的建立  44-46
  4.3 风扰动部分模型的建立  46-55
    4.3.1 平均风速  47-48
    4.3.2 风速的周期变化  48-49
    4.3.3 风速随高度变化  49-51
    4.4.4 风速变化对风轮载荷的影响  51-52
    4.4.5 风扰动部分模型的建立  52-55
  4.4 独立变桨距载荷控制线性状态空间模型的建立  55
  4.5 本章小结  55-56
第五章 基于H∞鲁棒控制算法独立变桨距载荷优化分布控制器的设计  56-68
  5.1 H∞鲁棒控制  56-57
  5.2 H∞性能指标  57-59
  5.3 H∞性能指标与干扰抑制问题  59-62
  5.4 H∞标准设计问题  62-63
  5.5 风力发电机组独立变桨距载荷分布优化H∞鲁棒控制器的设计  63-67
  5.6 本章小结  67-68
第六章 结论  68-69
参考文献  69-71
附录A 1.0MW风力发电机组载荷计算程序  71-79
附录B H∞鲁棒控制算法改进带有扰动系统特性的设计程序  79-81
在学研究成果  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 发电机、大型发电机组（总论） > 风力发电机
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