大型风力发电机转矩LQR控制及载荷优化

传统的风力发电机的控制方法在高于额定风速时,采用变桨距限制风轮转速,同时采用恒定的转矩控制电机转矩。恒定的电机转矩导致风力发电机传动链扭转阻尼比很小,使传动链扭矩大幅度的波动,甚至引起风力机结构的共振。针对该问题,建立了传动链基于状态空间的线性化模型,采用LQR(Linear Quadratic Regulator)方法设计风力发电机的转矩控制器,将传动链一阶扭转模态对应的闭环极点向虚平面的左侧移动,实现对传动链进行动态加阻。采用FAST的计算模块获得了风力发电机传动链的线性化状态空间模型,采用Matlab7.1/Simulink进行控制器设计并与FAST进行联合仿真。结果表明提出的控制方法有效地提高了传动链的阻尼,降低了风力发电机组关键零部件的载荷。

风力发电机组优化变桨距控制研究

风速变化的随机性和风力机叶轮巨大的转动惯量导致风力发电机对风速突然变化的动态响应通常都是时间滞后的,这可能会使叶轮转速和输出功率出现较大波动。基于线性二次高斯(LQG)优化控制理论提出变桨距优化控制方法,与传统的PI变桨距控制相比,可以抑制叶轮转速和功率波动。以2 MW变速变桨风力发电机组为实验对象,采用FAST-MATLAB/Simulink联合软件平台分别对LQG优化变桨距控制和传统PI变桨距控制进行仿真分析,证明LQG优化变桨距控制在抑制叶轮转速和功率波动方面的有效性。

基于TMD的半潜式风力机振动控制

针对某5 MW半潜式风力机的振动控制进行研究,以单纯形遗传算法(SCGA)分别对有无行程限制的调谐质量阻尼器(TMD)的固有频率、阻尼比进行参数优化,探讨经过优化参数后的TMD对风力机关键部位位移和载荷的影响。在SIMPACK软件中建立半潜式海上风力发电机组的多体动力学模型,在5种工况下对风力发电机进行动力学仿真分析。仿真结果表明,相较于有行程限制的TMD,施加行程限制后的TMD减振效果变差,但考虑到机舱空间的实际大小,TMD施加行程限制仍有一定的参考意义,且纵向减振效果优于横向减振效果。

变速变桨风力发电机组塔架的侧向振动控制

针对结构阻尼很小的大型兆瓦级变速变桨(Variable Speed and Variable Pitch,VSVP)风力发电机组如何抑制塔架的侧向振动问题进行研究,提出在控制器的设计中,借助反馈增益并使用塔顶振动加速度测量值来确定附加的电机转矩设定点,并在反馈控制回路中使用椭圆带通滤波器和切比雪夫低通滤波器,进而改善塔架侧向振动阻尼。以某5 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对该控制策略进行仿真验证。结果表明:所提出的控制策略能够有效降低塔架的侧向振动位移,且对叶轮转速和电机扭矩没有太大影响。

变速变桨风力机的自适应变桨及转矩控制

针对风力机特性仿真结果的不准确性,风力机在运行过程中运行参数的变化导致最初选定的名义桨距角可能不是最优值,以及传统变桨可能导致电机转矩波动过大的问题,提出自适应变桨控制策略和线性二次型调节(linear quadratic regulator,LQR)转矩控制策略。以5 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,使用Matlab/Simulink和FAST软件进行联合仿真,仿真结果表明所提出的控制策略能很好地解决桨距角最优值的确定以及在额定风速以上电机转矩波动过大的问题。

基于风速估计和风剪切的风力发电机组变桨距控制

为提高大型风力发电机组捕获风能的能力,改善其主要零部件受荷载情况,提出基于有效风速估计和风剪切的风力发电机组独立变桨距控制策略。以某5 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对传统统一变桨控制策略和独立变桨控制策略进行仿真比较。结果表明:相对于统一变桨距控制策略,独立变桨距控制策略不但能满足维持风力发电机组输出功率额定值稳定的要求,而且使发电机组主要零部件的受荷载情况得到明显改善。

基于TMD的漂浮式风力机振动控制

针对漂浮式风力机的振动控制进行研究,探讨将调谐质量阻尼器(TMD)同时安装于风力机的机舱和平台中时对风力机关键部位位移和载荷的影响。首先,建立风力机的多体动力学模型,并对建模准确性进行验证。其次,根据拉格朗日方程搭建四自由度的动力学模型,利用Levenberg-Marquardt(LM)法对其中的未知参数进行估计。然后以塔顶纵向位移标准偏差最小为控制目标,采用人工鱼群算法同时对TMD的质量、阻尼以及刚度参数进行优化。最后,在5种工况下,分别对风力机模型进行仿真分析,仿真结果表明,在风浪同向和不同向情况下,TMD对塔顶前后位移、塔基前后弯矩、平台纵摇角均有明显的抑制效果。

风力发电机传动链的扭转振动控制

针对变速变桨(VSVP)风力发电机组如何抑制传动链的扭转振动进行研究。提出了使用卡尔曼滤波对轴扭转角速度进行估计与在反馈环节上施加反馈增益相结合的扭距控制策略。以三叶片变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对直接速度反馈控制策略与施加了卡尔曼滤波和反馈增益的控制策略进行仿真比较。结果表明:相对直接速度反馈变控制,提出的转矩控制能使风力发电机组传动链的扭矩尖峰明显减小,并降低了发电机输出功率的波动。

漂浮式风力机混合振动控制

针对漂浮式海上风力发电机结构振动过大的问题,以5 MW半潜式海上风力发电机为研究对象,搭建整机的多体动力学模型,并基于最小二乘法的系统辨识原理对风力机系统进行辨识,在此基础上设计基于H∞成型控制器的混合质量阻尼器(HMD)控制系统,最后对风力机模型在5种工况下进行仿真,仿真结果表明:相比于被动控制,该文所设计的混合控制系统对各评价指标的抑制效果更明显,同时,在H∞回路控制器的设计过程中,增益系数和反馈系数的选择对控制器鲁棒稳定裕度、控制力、评价指标的抑制率都会产生影响,因此在满足控制器设计要求的前提下,应对这些参数进行合理选择。

基于风剪切的风力发电机组独立变桨控制

目前风力发电机逐步大型化，塔架越来越高，结构尺寸越来越大，风剪切对风力发电机组的影响也越来越大。为改善风剪切对风力发电机零部件和发电功率的影响，提出基于线性二次调节（LQR）的独立变桨控制策略，利用FAST和MATLAB7．1／Simulink进行联合仿真，对仿真结果与统一变桨控制策略的结果进行了分析。分析结果表明：通过独立变桨控制，能够减小风力发电机的输出功率波动及主要零部件的疲劳载荷，进而能够有效地延长设备的使用寿命。

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。

基于ANSYS ACP的风电机组复合材料机舱罩轻量化设计

大兆瓦级风力发电机组机舱罩为大型壳体结构,多采用GFRP等复合材料制造。现有的机舱罩设计普遍趋于保守,存在冗余安全储备系数,生产安装成本过高不利于风电的降本。根据GL2010规范,对某5MW风力发电机组机舱罩进行有限元建模和静力学仿真分析,并根据分析结果,综合考虑机舱罩制造局限与制造成本进行轻量化设计,之后通过静力学分析、失效分析与模态分析对机舱罩进行校核。计算结果表明了机舱罩轻量化设计的有效性与安全性,为降低机舱罩制造和安装成本提供了新的思路和方法。

柱状漂浮式风力机结构振动控制

针对柱状漂浮式风力机的结构振动控制展开研究。首先为进行调谐质量阻尼器(TMD)参数的优化,对风力机模型进行简化,并对简化模型中的未知参数进行估计;随后,基于简化模型分别使用公式法和遗传算法对TMD参数进行优化,并通过比较塔顶前后位移的标准偏差确定最终的优化方法;最后,为评估TMD对风力机振动控制的影响,构建风力机的联合仿真模型,并在3种典型工况下进行仿真分析。仿真结果表明,所设计的TMD可以很好地降低漂浮式风力机的载荷以及位移,有效抑制塔顶振动加速度与系泊缆绳有效张力,同时可有效降低额定风速以上时电功率输出的标准偏差,使电功率输出更加稳定。

变桨轴承滚道次表面应力影响因素分析

针对风力机大量的变桨轴承滚道疲劳失效问题,以某MW级变桨轴承为研究对象,研究滚道次表面应力的理论计算方法;在此基础上,利用控制变量法研究轴承不同结构参数对次表面应力场及硬化层的影响规律;并利用有限元仿真分析预紧力对滚道次表面的影响。研究表明:可通过增大滚珠直径、辅助参数或减小沟道曲率系数等途径降低次表面应力和最小淬硬层深度;滚道次表面应力理论计算与有限元分析结果基本一致,验证了理论的合理性;随着预紧力的增大,滚道次表面应力小幅增加。

基于不同CFD建模复杂度的垂直轴风力机气动性能分析

通过将计算流体力学(CFD)与实验结果比较,研究2D URANS、2.5D URANS、2.5D LES和3D URANS CFD建模技术在风力机气动性能分析中的准确性和可行性。与SST k-ω方法相比,LES模型可更准确地模拟垂直轴风力机在动态失速工况下的气动性能。2.5D LES模拟结果的显著改善表明:叶尖涡的忽略可能不是2D URANS和2.5D URANS过高预测功率输出的主要原因,而可能是由其方程存在的内部缺陷导致的。考虑到模型的计算精度和计算成本,2.5D LES可被认为是研究风力机气动性能的一种有效方法,特别适用于垂直轴风力机启动工况的仿真。

基于被动式调谐质量阻尼器的风力机结构振动控制

采用结构控制方法抑制海上风电机组的结构载荷是一种经济可行的解决方案。海上风电机组的动态响应通常是在泊机状态下进行的,叶片通常采用集中质量建模。实际上,叶片的几何特性和转速对风力机的性能有很大的影响。这些简化可能导致对风力机动态响应的不准确评估,进而影响控制系统减载效果的评估。由于调谐质量阻尼器(TMD)系统的简单性和有效性,该系统已被广泛用于抑制系统的动力响应。为了探讨安装于机舱中的调谐质量阻尼器对风力机在风浪激励作用下的结构振动控制效果。文章研究了底置式海上风力机在风浪联合激励下的结构响应,并考虑桩-土耦合的相互作用,设计了单TMD系统和多TMD系统,并对不同工况进行仿真分析,研究了单TMD系统和多TMD系统的动力响应和减振效果。结果表明,调谐质量阻尼器能够有效减轻塔底的振动,在泊机工况下振动抑制效果显著。

基于流体脉动理论的漂浮式风力机平台纵摇运动控制策略

在流体脉动理论作用下,对张力腿式漂浮式风力机平台的纵摇运动进行分析,提出一种通过给变桨动作施加主动阻尼的控制策略,设计在不影响电功率输出的情况下的反馈控制系统,利用FAST软件对NREL提供的5 MW张力腿式漂浮式风力机进行建模,并与MATLAB/Simulink软件进行联合仿真。仿真结果表明,在流体脉动理论下设计的反馈控制系统不仅能降低塔顶的纵摇位移、叶轮转速和电功率输出波动,也能在一定程度上降低塔基处的纵摇力矩,对延长塔筒的寿命起到一定的作用。

基于反馈控制策略的陆上与海上风力机塔架前后振动控制效果分析

塔架在受到风轮、机舱、自身重力以及各种风况和海况下的载荷作用时会出现振动幅度过大的情况,这可能导致塔筒倒塌、发电功率波动变大等恶劣事故的发生。为得到良好的控制塔架前后振动的效果,采用适合的控制策略是关键。文章分别对美国可再生能源实验室(NREL)提供的陆上和海上5 MW风力机塔架的前后振动采用反馈控制策略进行仿真模拟。仿真结果表明,在相同的控制策略下,陆上风力机的塔架前后振动能够得到很好的抑制,而对于海上风力机来说这种控制策略的效果并不明显。对于海上风力机塔架的前后振动问题还需要考虑其他控制策略。

风浪激励下的海上风力机振动控制

该文建立考虑桩-土耦合作用的单桩式海上风力机整机多体动力学模型,结合水动力和空气动力,借助Matlab/Simulink搭建风力机的联合仿真模型。对安装于机舱内的单调谐质量阻尼器(STMD)和多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统进行设计,并在运行工况和泊机工况下进行仿真分析。研究表明,相比于正常运行工况,泊机工况下的调谐质量阻尼器(TMD)振动抑制性能更优,对塔基前后弯矩标准偏差有着最优的控制效果,且MTMD系统中TMD的数量与系统振动抑制性能存在非线性关系。

独立变桨条件下的风力发电机动态载荷优化及仿真分析

针对大型风电机组动态载荷分布不均问题,提出基于线性二次高斯控制的独立变桨控制策略,通过建立整机系统模型和线性二次高斯算法(LQG)控制器,利用SIMPACK软件与Simulink进行联合仿真,计算比较不同控制方式下风力机主要零部件所受的载荷。计算结果表明,相对于统一变桨,独立变桨控制方式能够更好地稳定输出功率和载荷波动。相对于传统的PI统一变桨控制,LQG独立变桨控制能更好地降低风力机主要零部件的疲劳载荷。