风电机组动态载荷特性及主动抑制策略研究

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1、风电机组动态载荷特性及主动抑制策略研究重庆大学博士学位论文学生姓名：杨超指导教师：李辉教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年四月ActiveControlStrategiesandCharacteristicsofDynamicLoadsofWindTurbineGeneratorSystemsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByYangCh

2、aoSupervisedbyProf.LiHuiSpecialty：ElectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2015中文摘要摘要风力发电是发展最快也是当前最具潜力、可大规模应用的可再生能源发电方式之一。风电机组受随机风、风切变和塔影效应、外部电网扰动等因素影响，加之其大型化发展带来的叶片、塔筒、传动轴等部件柔性大、阻尼小的特点，导致风电机组所承受的动态载荷不断增加且异常复杂。研究风电机组的动态载荷特性及

3、其主动控制策略，对提高其安全可靠运行能力具有重要的理论和实际应用价值。论文以双馈风电机组为研究对象，围绕风电机组的动态载荷特性涉及的建模与控制，深入开展其机电联合仿真模型以及抑制风电机组叶片、塔筒和传动链等关键部件动态载荷控制策略的研究，主要工作及取得的成果如下：①为了提高风电机组载荷仿真计算速度以及对变桨控制策略进行优化设计，针对电动变桨驱动系统的传统简化模型不能很好地反映风电机组动态载荷特性的问题，论文提出一种考虑电动变桨驱动系统动态特性的改进简化传递函数模型。首先，基于电动变桨驱动系统的感应电动机电压方程和控制策略，建立其详细传递函数模

4、型；其次，通过传递函数等效、传递函数框图化简和灵敏度分析等方法，推导并建立考虑其动态特性的改进简化传递函数模型；最后，为了验证改进简化模型在风电机组载荷仿真和变桨控制设计方面的有效性，论文对其频域特性及其对变桨控制系统稳定性的影响进行分析，并将其与传统一阶惯性环节模型以及实际电动变桨驱动系统样机测试结果进行比较。②鉴于现有风电机组载荷仿真模型很少考虑电气系统动态对机组动态载荷特性影响的问题，论文提出并建立基于不同仿真平台的双馈风电机组机电联合仿真模型。在风电机组的机械结构方面建立风速、空气动力和机械动力模型，在电气系统方面建立详细的双馈发电机

5、及其控制策略模型。综合变桨驱动系统的改进简化传递函数模型和机组的其他子系统模型，基于TurbSim、AeroDyn、FAST及Matlab/Simulink四种软件/程序，建立适合动态载荷特性分析的双馈风电机组机电联合仿真模型。最后，为了验证所建联合仿真模型在风电机组载荷特性分析方面的有效性，对不同电动变桨驱动系统简化模型以及不同发电机模型下的机组载荷特性进行仿真比较，并和某样机的实测载荷数据进行对比。③针对叶轮扫略面内风速不均衡导致的风电机组谐波载荷问题，论文分析了其谐波载荷特性，借鉴电气系统谐波抑制思想，提出一种基于比例-谐振(PR)独立

6、变桨的风电机组谐波载荷抑制策略。首先，分析叶根弯矩谐波载荷对轮毂载荷的影响规律及其抑制机理。其次，为了使PR独立变桨控制策略更具鲁棒性，建立了周期时变叶片系统的平均线性化模型，对控制策略中的PR控制器参数进行设计；I重庆大学博士学位论文为减少叶片柔性和变桨驱动系统动态引起的控制系统相位偏移，也对控制策略中的相位补偿器参数进行分析。最后，对所提独立控制策略在系统参数周期时变情况下的稳定性进行探讨，并就其谐波载荷抑制效果与常规统一变桨控制策略进行仿真比较。④针对叶片安装角误差可能导致的风电机组不平衡载荷问题，论文分析了叶轮不平衡风电机组的载荷特性

7、，并提出一种基于解耦科尔曼变换的不平衡载荷抑制的变桨控制策略。首先，分析并仿真验证叶轮不平衡情况下机组的载荷特性及变化规律。其次，针对叶片和变桨驱动系统的传统科尔曼变换模型存在的变量耦合，利用前馈补偿方法设计控制策略的解耦控制器；并利用单输入单输出理论对其主控制器参数进行分析。最后，对基于解耦科尔曼变换的变桨控制策略的稳定性、不平衡载荷的跟踪控制能力以及叶轮转速变化的适应性进行频域分析，并就其不平衡载荷抑制效果进行仿真验证。⑤针对双馈风电机组传动链自身阻尼小，易受扭振载荷影响的问题，论文分析了风电机组传动链的扭振特性，并基于模型预测控制(MP

8、C)理论，提出一种抑制传动链扭振载荷的阻尼控制策略。首先，通过推导传动链的不同传递函数模型，对其扭振特性进行频域分析。其次，考虑传动链系统参数的不确定性，对论文提出