本文關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制技術(shù)研究

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【摘要】：為應(yīng)對能源危機和氣候變化帶來的巨大挑戰(zhàn),全球大力發(fā)展可再生能源。其中風(fēng)能是可再生能源的重要組成部分,目前陸上的風(fēng)資源開發(fā)已經(jīng)比較成熟,然而海上風(fēng)電開發(fā)技術(shù)相對比較落后,主要由于海上風(fēng)電場條件復(fù)雜,它除了受陸上的一系列外部條件制約外,還受到如鹽霧腐蝕、臺風(fēng)襲擊、海浪海冰撞擊等惡劣氣候條件的影響。但海上風(fēng)資源豐富,隨著技術(shù)難題的解決,海上風(fēng)電具有更多的優(yōu)勢。目前海上風(fēng)電技術(shù)正處在探索、研究、發(fā)展之中。論文首先通過空氣動力學(xué)原理對變槳距控制技術(shù)風(fēng)電機組運行產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析,由風(fēng)切變和塔影效應(yīng)出發(fā),利用能量守恒定律、動量守恒定律完成對風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程及風(fēng)能利用系數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立。針對海上風(fēng)電機組復(fù)雜非線性、多輸入高產(chǎn)出、強耦合的特點,建立海上風(fēng)況、風(fēng)電機組的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)章節(jié)研究變槳距控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)。其次,對風(fēng)力發(fā)電機仿真軟件FAST進(jìn)行討論,介紹了FAST軟件工作原理。在空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用FAST軟件建立某5MW水平軸三葉片漂浮式風(fēng)電機組模型,包括風(fēng)輪系統(tǒng)空氣動力學(xué)模型、風(fēng)速模型和結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型,整個模型就是后續(xù)研究工作的平臺。通過FAST軟件對風(fēng)電機組模型進(jìn)行線性化分析,確定統(tǒng)一變槳距控制器PID的參數(shù),仿真結(jié)果表明該控制方法能較好的滿足設(shè)計要求。獨立變槳距控制是在統(tǒng)一變槳距控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的控制技術(shù),目前在國外廣泛采用。為了減小風(fēng)力機疲勞載荷,穩(wěn)定發(fā)電機輸出功率,延長風(fēng)機使用壽命,利用現(xiàn)代控制理論設(shè)計一種基于LQR狀態(tài)空間方法的獨立變槳距控制器,先建立漂浮式平臺與錨泊系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)模型,然后將耦合的空氣動力載荷與水動力載荷加載到漂浮式風(fēng)電機組多柔體動力學(xué)模型上,結(jié)合控制器在FAST軟件中進(jìn)行漂浮式風(fēng)電機組的動態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析。仿真結(jié)果表明浮式風(fēng)電機組的槳葉載荷應(yīng)力相對統(tǒng)一變槳控制有所減小,輸出功率更加穩(wěn)定,驗證了該控制策略的正確性和有效性。
【關(guān)鍵詞】：漂浮式風(fēng)電機組 動力學(xué) FAST 變槳距控制 狀態(tài)空間
【學(xué)位授予單位】：湖南工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM315;TP273
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 研究的背景及意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 國外海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 國內(nèi)海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀11-13
• 1.3 風(fēng)力機及其控制技術(shù)概述13-17
• 1.3.1 風(fēng)力機簡介14-15
• 1.3.2 控制技術(shù)發(fā)展概述15-17
• 1.4 本課題主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 海上風(fēng)力發(fā)電機組變槳距運行基本原理19-36
• 2.1 風(fēng)速變化特性19-20
• 2.1.1 風(fēng)切變效應(yīng)19-20
• 2.1.2 塔影效應(yīng)20
• 2.2 風(fēng)力發(fā)電機空氣動力學(xué)原理20-26
• 2.2.1 風(fēng)能計算20-21
• 2.2.2 貝茲極限理論21-23
• 2.2.3 槳葉葉素動量理論23-26
• 2.3 變槳距系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型26-32
• 2.3.1 海上風(fēng)況26-28
• 2.3.2 風(fēng)輪模型28-29
• 2.3.3 傳動鏈數(shù)學(xué)模型29-30
• 2.3.4 變槳距執(zhí)行機構(gòu)模型30-31
• 2.3.5 發(fā)電機模型31-32
• 2.4 風(fēng)電機組變槳距運行控制策略32-34
• 2.4.1 在額定風(fēng)速以下的運行控制32-33
• 2.4.2 在額定風(fēng)速以上的運行控制33-34
• 2.5 本章小結(jié)34-36
• 第三章 基于FAST的海上風(fēng)力發(fā)電機組傳統(tǒng)控制器設(shè)計36-51
• 3.1 FAST工作原理36-39
• 3.1.1 FAST運行所需要的文件37
• 3.1.2 運行FAST37-38
• 3.1.3 FAST輸出結(jié)果以及后處理38-39
• 3.2 對FAST運行中運用的原理分析39-43
• 3.2.1 FAST中線性化模型的計算39-41
• 3.2.2 FAST中周期穩(wěn)態(tài)解的計算41-43
• 3.3 風(fēng)力發(fā)電機組主要參數(shù)介紹43-45
• 3.4 基于PID的統(tǒng)一變槳距控制器設(shè)計45-48
• 3.4.1 PID控制原理概述45-47
• 3.4.2 變槳距PID參數(shù)的公式推導(dǎo)47-48
• 3.5 仿真結(jié)果與分析48-50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 第四章 漂浮式風(fēng)力發(fā)電機組獨立變槳距控制器設(shè)計51-71
• 4.1 漂浮式基礎(chǔ)平臺的動力學(xué)模型51-54
• 4.2 系泊纜繩系統(tǒng)的水動力學(xué)模型54-57
• 4.3 基于狀態(tài)空間反饋的風(fēng)力發(fā)電獨立變槳距控制57-61
• 4.3.1 控制目標(biāo)57-58
• 4.3.2 使用FAST進(jìn)行模型線性化分析58
• 4.3.3 基于LQR狀態(tài)空間方法的獨立變槳距控制器設(shè)計58-61
• 4.4 漂浮式風(fēng)電機組多柔體動力學(xué)仿真建模61-63
• 4.5 仿真結(jié)果與分析63-70
• 4.5.1 葉根載荷分析63-66
• 4.5.2 浮式平臺振蕩分析66-67
• 4.5.3 系泊纜繩受力分析67-68
• 4.5.4 整機載荷及性能對比分析68-70
• 4.6 本章小結(jié)70-71
• 第五章 結(jié)論與展望71-73
• 5.1 結(jié)論71-72
• 5.2 展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-76
• 攻讀學(xué)位期間主要研究成果76-77
• 附錄77-81
• 致謝81

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本文編號：686172