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兆瓦级风力发电机组独立变桨控制设计及仿真

作　者: 刘超川
导　师: 李建刚；蒋仕龙
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 水平轴风机独立变桨疲劳载荷科尔曼变换最优控制
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来风力发电技术发展非常迅速,但仍然存在许多未能得到很好解决的难题,如何降低由于风切变、对风偏差、塔影效应和大气湍流等因素引起的疲劳载荷便是难题之一。这些疲劳载荷会影响风机的输出功率,甚至会摧毁风机。目前风机控制大多采用联合变桨控制,即三套变桨执行机构执行同一个桨距角指令。这样机组在运行过程中不能消除疲劳载荷。本文针对这一难题提出一种新的独立变桨控制算法,并进行模拟仿真和实验。最后利用最优控制进行优化。本文提出的独立变桨控制是根据各个桨叶的实际载荷发出不同的变桨指令,控制桨距角的变化,以达到降低这些不均衡疲劳载荷的目的。但是独立变桨控制需要实时检测各桨叶的实际载荷,这一额外的控制量是旋转坐标系中的变量,会带来周期性时变系统问题,使得控制难度大增。为此引入科尔曼变换将这些旋转坐标系的变量转换成固定坐标系的变量,实现运用线性时不变控制计算出桨距角信号。然后进行科尔曼反变换将这些桨距角信号转换为旋转坐标系中的独立变桨距信号。科尔曼变换的运用不仅让成熟的LTI控制算法用于独立变桨距控制成为可能,而且使得联合变桨距控制设计从独立变桨距控制中解耦出来,单独进行设计。本文研究用TurbSim模拟随机的三维风场和FAST模拟气弹模型疲劳载荷,在Simulink上联合仿真。并在与许继电气合作研发过程中搭建的物理仿真平台进行测试,仿真和测试结果都表明疲劳载荷大幅降低。最后,本文用LQG最优控制算法优化独立变桨距控制,仿真结果表明此优化能进一步疲劳载荷。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
ACKNOWLEDGEMENT  8-11
Chapte 1 Itroduction  11-21
  1.1 Background  11-13
  1.2 Trends of Wind Energy Conversion Systems  13-19
    1.2.1 Development of WECS Technology  15-17
    1.2.2 Issues in WECS Control  17-19
    1.2.3 Objectives of This Thesis  19
  1.3 Outline of thesis  19-21
Chapter 2 Wind Turbine Model  21-35
  2.1 Wind Model  21-24
  2.2 Wind Turbine Aerodynamics  24-28
    2.2.1 Actuator Disc Concept  24-26
    2.2.2 Wind Turbine Performation  26-28
  2.3 Wind Turbine Model  28-33
    2.3.1 Linearized Aerodynamic Conversion  29-31
    2.3.2 Periodic Linear Model Equations  31-33
  2.4 Summary  33-35
Chapter 3 Controller Design Approach to IPC  35-51
  3.1 Collective Pitch Control Approach  35-37
  3.2 Individual Pitch Control Approach  37-43
    3.2.1 The Coleman transformation  38-39
    3.2.2 The IPC LTI Model  39-41
    3.2.3 IPC Controller Design  41-43
  3.3 Simulation and Analysis  43-45
  3.4 Experiments on Physical Platform and Simulation  45-50
    3.4.1 Simulation Platform Structure  45-48
    3.4.2 Experiment Results  48-50
  3.5 Summary  50-51
Chapter 40ptimization Approach to IPC  51-63
  4.1 LQG approach to IPC  51-54
    4.1.1 Optimal LQG Controller Design  51-52
    4.1.2 Feed forward Estimated Wind Disturbance Rejection  52-54
  4.2 Simulation Tools  54-59
    4.2.1 Turbulent-wind Simulator  54-56
    4.2.2 Aero-elastic Design Code for HAWT  56-59
  4.3 Simulation analysis  59-61
  4.4 Summary  61-63
CONCLUSION  63-64
REFERENCES  64-68

兆瓦级风力发电机组独立变桨控制设计及仿真

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