【摘要】：低風(fēng)速風(fēng)能開(kāi)發(fā)已逐漸成為我國(guó)未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的重要方向。然而,風(fēng)況的改變及其引發(fā)的風(fēng)力機(jī)尺寸大型化,加劇了低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)過(guò)程中的效率損失問(wèn)題。沿用傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)-伺服控制器參數(shù)分離設(shè)計(jì)思想,主要依靠?jī)?yōu)化和改進(jìn)MPPT控制器參數(shù),已難以更為有效地解決這一問(wèn)題�？紤]到風(fēng)力機(jī)本體參數(shù)對(duì)MPPT控制效果的明顯影響,利用風(fēng)力機(jī)本體參數(shù)與MPPT控制之間的協(xié)同效應(yīng),開(kāi)展風(fēng)力機(jī)本體參數(shù)與跟蹤控制的一體化設(shè)計(jì)是一條值得探索的途徑,應(yīng)能進(jìn)一步提高低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率。其中,尋找對(duì)控制效果影響敏感的本體參數(shù)、將其參與到一體化設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)以較小的本體參數(shù)調(diào)整代價(jià)換取控制性能的提升,且更易滿足本體設(shè)計(jì)的固有約束。本文針對(duì)MPPT控制,研究風(fēng)力機(jī)本體參數(shù)對(duì)跟蹤控制效果的影響機(jī)理,并從中提取出能夠顯著影響MPPT性能的敏感參數(shù),進(jìn)而探索敏感本體參數(shù)與MPPT控制策略的一體化設(shè)計(jì)方法,為實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)高效捕獲風(fēng)能探索一條可行的途徑。本文取得的主要成果如下:(1)探索和分析了風(fēng)力機(jī)本體參數(shù)對(duì)MPPT性能的影響機(jī)理,并從中提取出控制效應(yīng)敏感參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),相比風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù),氣動(dòng)參數(shù)對(duì)MPPT性能的影響更為敏感、且可調(diào)范圍更大。因此,開(kāi)展氣動(dòng)參數(shù)與MPPT控制的一體化設(shè)計(jì)不僅易于達(dá)到協(xié)同目標(biāo)、有效提升風(fēng)能捕獲效率,而且在滿足風(fēng)力機(jī)本體設(shè)計(jì)的固有約束和總體工程可行性方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。(2)提出考慮敏感氣動(dòng)參數(shù)對(duì)MPPT影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。在當(dāng)前風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,考慮敏感氣動(dòng)參數(shù)對(duì)MPPT的影響機(jī)理,調(diào)整已有氣動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建不含具體控制器參數(shù)的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。這樣,在延續(xù)了經(jīng)典的分離設(shè)計(jì)原則的同時(shí),可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的閉環(huán)性能;而且,這種一體化設(shè)計(jì)方式因?yàn)椴灰蕾囉诰唧w控制策略,可使設(shè)計(jì)結(jié)果更具一般性。本文所提優(yōu)化方法如下:A.考慮翼型幾何外形對(duì)MPPT影響的翼型多攻角設(shè)計(jì)。在當(dāng)前風(fēng)力機(jī)翼型多攻角設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,探索翼型運(yùn)行攻角分布規(guī)律及其基于來(lái)流風(fēng)能比例的描述方法,據(jù)此確定目標(biāo)函數(shù)中的多個(gè)設(shè)計(jì)攻角及其權(quán)重,以改進(jìn)現(xiàn)有僅依賴工程經(jīng)驗(yàn)的翼型多攻角設(shè)計(jì)。B.考慮風(fēng)能利用系數(shù)曲線的平緩度對(duì)MPPT影響的葉片氣動(dòng)優(yōu)化�；陲L(fēng)力機(jī)閉環(huán)系統(tǒng),分析風(fēng)能利用系數(shù)曲線頂部平緩度對(duì)MPPT的影響規(guī)律。探索運(yùn)行葉尖速比的分散分布及其基于來(lái)流風(fēng)能比例的描述方法,據(jù)此提出一種考慮MPPT動(dòng)態(tài)的、以多個(gè)葉尖速比處的風(fēng)能利用系數(shù)的加權(quán)和為目標(biāo)函數(shù)的葉片多工況氣動(dòng)優(yōu)化方法,以改進(jìn)忽略MPPT動(dòng)態(tài)的、僅優(yōu)化單一工況點(diǎn)氣動(dòng)性能的現(xiàn)有氣動(dòng)優(yōu)化方法。C.考慮最優(yōu)葉尖速比對(duì)MPPT影響的葉片氣動(dòng)優(yōu)化�；趥鹘y(tǒng)的葉片逆設(shè)計(jì)方法,綜合考慮最優(yōu)葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)氣動(dòng)性能和MPPT動(dòng)態(tài)特性的雙重影響,以風(fēng)機(jī)閉環(huán)性能指標(biāo)——平均風(fēng)能捕獲效率作為目標(biāo)函數(shù),并將原先最優(yōu)葉尖速比與弦長(zhǎng)、扭角分離優(yōu)化的流程改進(jìn)為聯(lián)合優(yōu)化。D.綜合考慮風(fēng)能利用系數(shù)曲線的平緩度及其最優(yōu)葉尖速比對(duì)MPPT影響的葉片氣動(dòng)優(yōu)化。在方法B的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮最優(yōu)葉尖速比的變化對(duì)MPPT動(dòng)態(tài)特性的影響,以平均風(fēng)能捕獲效率作為目標(biāo)函數(shù),并將其轉(zhuǎn)化為多個(gè)葉尖速比處風(fēng)能利用系數(shù)的加權(quán)和。根據(jù)優(yōu)化過(guò)程中隨機(jī)生成的新風(fēng)輪的運(yùn)行葉尖速比分布來(lái)更新目標(biāo)函數(shù)中的多個(gè)設(shè)計(jì)葉尖速比及其權(quán)重,從而更有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)氣動(dòng)性能與MPPT動(dòng)態(tài)的協(xié)調(diào)、進(jìn)一步提升風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲量�；陲L(fēng)力機(jī)商業(yè)軟件Bladed的仿真研究表明:與僅控制器優(yōu)化改進(jìn)所獲得的效率提高率(平均為1.0%左右)相比,本文提出的一體化設(shè)計(jì)方案最終可使低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率提升2.0%以上,從而較為明顯地緩解了低風(fēng)速對(duì)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電效率的影響。關(guān)于這種新的一體化設(shè)計(jì)方案的總體工程可行性,尚有待于進(jìn)一步工程分析與動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM315
【圖文】：

而且使得基于敏感本體參數(shù)的一體化設(shè)計(jì)更具潛力和工程意義。逡逑１．２研究進(jìn)展逡逑傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)大多遵循著本體（氣動(dòng)外形和支撐結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)在前、控制逡逑器設(shè)計(jì)在后的分離、順序設(shè)計(jì)流程％２６，２７１。本節(jié)首先介紹了風(fēng)力機(jī)的分離設(shè)計(jì)流逡逑程，然后歸納總結(jié)了分離設(shè)計(jì)流程在解決低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)跟蹤損失問(wèn)題中的局限性。逡逑在此基礎(chǔ)上，探討了本體與控制一體化設(shè)計(jì)方式應(yīng)對(duì)跟蹤損失問(wèn)題的潛力，為進(jìn)逡逑一步提出本文的研究問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。逡逑１．２．１風(fēng)力機(jī)的本體與控制器分離設(shè)計(jì)逡逑圖１．１所示為風(fēng)力機(jī)的分離設(shè)計(jì)流程。其中，氣動(dòng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)力機(jī)在最逡逑優(yōu)葉尖速比兒，，處的氣動(dòng)效率提升［２８－３３］；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、逡逑剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，降低制造成本控制器設(shè)計(jì)則關(guān)注最大功率點(diǎn)逡逑跟蹤（ｍａｘｉｍｕｍ邋ｐｏｗｅｒ邋ｐｏｉｎｔ邋ｔｒａｃｋｉｎｇ，邋ＭＰＰＴ）邋［３７－３９］的實(shí)現(xiàn)，使風(fēng)力機(jī)保持運(yùn)行逡逑在兒以最大的風(fēng)能利用系數(shù)捕獲風(fēng)能。逡逑邐逡逑

邐（１．２）逡逑式中，６Ｖ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。逡逑圖１．２給出了一條典型的曲線。由圖１．２可知，只要根據(jù)風(fēng)速的變化控逡逑制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使／Ｉ始終處于最優(yōu)葉尖速比￣，風(fēng)力機(jī)就可以最大風(fēng)能利用系數(shù)逡逑０．＿捕獲風(fēng)能。所以，也把風(fēng)速跟蹤稱為最大功率點(diǎn)跟蹤。逡逑３逡逑

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本文編號(hào)：2722909