Intelligent control for large-scale variable speed variable pitch wind turbines

Large-scale wind turbine generator systems have strong nonlinear multivariable characteristics with many uncertain factors and disturbances. Automatic control is crucial for the efficiency and reliability of wind turbines. On the basis of simplified and proper model of variable speed variable pitch wind turbines, the effective wind speed is estimated using extended Kaiman filter. Intelligent control schemes proposed in the paper include two loops which operate in synchronism with each other. At below-rated wind speed, the inner loop adopts adaptive fuzzy control based on variable universe for generator torque regulation to realize maximum wind energy capture. At above-rated wind speed, a controller based on least square support vector machine is proposed to adjust pitch angle and keep rated output power. The simulation shows the effectiveness of the intelligent control.

Design of Linear Functional Noncircular Gear with High Contact Ratio Used in Continuously Variable Transmission

Continuously variable transmission(CVT)of noncircular gear has the technical advantages of large bearing capacity and high transmission efficiency.The key technology of CVT with noncircular gear has been broken through some countries,and is in the stage of deep application research.Although the characteristics and design methods of noncircular gear pairs have been continuously studied in China,the noncircular gear CVT is still in the preliminary exploration and research stage.The linear functional noncircular gear pair,whose transmission ratio is a linear function in the working section,to realize continuously variable transmission was the research object in this paper.According to the required transmission ratio in the working section,the transmission ratio function in the non-working section was constructed by using a polynomial.And then the influence of pitch curve parameters in the working section on which in the non-working section was also analyzed to obtain the pitch curve suitable for transmission of this gear pair.In addition,for improving the stability and bearing capacity of gear transmission,the noncircular gear pair transmission with high contact ratio was designed.Furthermore,the accurate value of the contact tooth length was calculated based on the gear principle and the characteristics of the involute tooth profile,from this the contact tooth length error was calculated by comparing the accurate value with its actual value obtained by the rolling experiment.Finally,an indirect method to verify the contact ratio by detecting the contact length error of the tooth profile was proposed.

CFD Simulation of Fixed and Variable Pitch Vertical Axis Tidal Turbine

在这份报纸，垂直的轴的水动力学分析潮汐的汽轮机(固定沥青与可变沥青) 数字地被分析。通过汽轮机的片的二维的数字建模与不稳定的流动的模拟用 ANSYS CFX 被执行，此后 CFX，它基于平均 Reynolds 的海军司烧(RANS ) 模型。短暂模拟被做潮汐的汽轮机使用因为固定沥青和变量搭垂直的轴一个 Shear 压力运输骚乱(SST ) 计划。主要水动力学参数喜欢转矩 T，联合时刻 C M，表演 C P 的系数和转矩 C T 的系数，等等被调查。当模特儿并且协调汽轮机转子在 ICEM-CFD 被执行。而且，在在固定沥青和可变沥青之间的协调计划的差别也被提及。网孔运动选择为可变沥青汽轮机被采用。这篇文章是关于汽轮机设计和开发的进行中的研究的一部分。数字模拟结果被验证，很好被认为的分析结果由文章与汽轮机性能的参量的研究结束的爱丁堡设计有限公司表现了，比较在之间修理并且为一台四片的汽轮机的可变沥青操作。为可变沥青，我们每极小的 N 在更小的革命得到最大的 C P 和山峰力量，这被发现，尖端加速了比率。

Numerical and Experimental Analysis of A Vertical-Axis Eccentric-disc Variable-Pitch Turbine(VEVT)

A combined experimental and numerical investigation is carried out to study the performance of a vertical-axis eccentric-disc variable-pitch turbine(VEVT).A scheme of eccentric disc pitch control mechanism based on doubleblock mechanism is proposed.The eccentric control mechanism and the deflection angle control mechanism in the pitch control structure are designed and optimized according to the functional requirements of the turbine,and the three-dimensional model of the turbine is established.Kinematics analysis of the eccentric disc pitch control mechanism is carried out.Kinematics parameters and kinematics equations which can characterize its motion characteristics are derived.Kinematics analysis and simulation are carried out,and the motion law of the corresponding mechanical system is obtained.By analyzing the force and motion of blade of VEVT,the expressions of the important parameters such as deflection angle,attack angle and energy utilization coefficient are obtained.The lateral induced velocity coefficient is acquired by momentum theorem,the hydrodynamic parameters such as energy utilization coefficient are derived,and the hydrodynamic characteristics of VEVT are also obtained.The experimental results show that the turbine has good energy capture capability at different inflow velocities of different sizes and directions,which verifies that VEVT has good self-startup performance and high energy capture efficiency.

Neural Network Predictive Control of Variable-pitch Wind Turbines Based on Small-world Optimization Algorithm

通过将混沌映射用于产生初始节点集和进行算子构造,提出一种新的基于实数编码的混沌小世界优化算法。采用4种算法对多例复杂函数的优化问题进行仿真试验,表明所提算法具有能够有效避免陷入局部极小值、快速搜索到最优值的能力。将上述方法应用于变桨距风电机组启动并网时的转速控制,提出一种基于混沌小世界优化算法的神经网络预测控制策略,其预测模型由基于现场数据的神经网络模型建立。仿真与实际测试结果表明,该系统可以根据风速扰动提前预测电机的转速变化,使控制器超前动作,保证系统输出跟踪参考轨迹的方向稳步改变,确保风电机组平稳并网。

针对风机变桨距控制系统隐蔽攻击的防御方法研究

伴随信息化程度不断提高,隐蔽攻击将对风机变桨距控制系统构成威胁。为此,设计了一种防御结构。将攻击信号对被控对象的影响反馈给控制器,由控制器实时调节控制输出信号,进而防御隐蔽攻击。分别在有攻击和无攻击场景下分析了采用防御结构后系统的稳定性。仿真结果显示,在隐蔽攻击时间段内,采用防御结构后,风机输出功率与设定值的平均误差为0.004 MW;在无攻击时间段内,风机输出功率与原系统保持一致。该结果说明,防御结构有效。

基于扰动观测器的分数阶终端滑模电液变桨控制方法

为改善风电机组电液变桨系统的控制性能,文章提出了基于扰动观测器的分数阶终端滑模控制方法。建立风电机组电液变桨系统数学模型,利用滑模状态扰动观测器(SMSPO)对变桨系统参数的不确定性和未知扰动进行实时补偿。采用分数阶微积分理论设计终端滑模控制器的滑模面,在保证有限时间收敛的同时,改善了滑模控制自身抖动。利用Simulink进行试验验证,结果表明,该方法增强了变桨系统的抗干扰能力,削弱了系统的抖动,提高了桨距角的跟踪精度和变桨系统的稳定性。

基于模型预测静态规划的高速多体船减纵摇控制

为解决在海浪扰动下高速多体船的垂向稳定性变差问题,提出一种基于模型预测静态规划的减纵摇控制方法。考虑高速多体船模型不确定性、海浪噪声不符合高斯白噪声分布特点,根据噪声信息和误差信息设计平滑变结构滤波器,在线估计多体船的升沉速度、纵摇角速度,并将其引入到减摇控制中。在此基础上,基于模型预测静态规划提出多体船的减摇控制,采用终端偏差修正的求解方式,迭代更新控制输入,降低计算复杂度。最后,仿真实验表明了所提方法能有效抑制过大的升沉和纵摇运动幅度,以及减摇控制计算负荷小的优越性。

结合风速预测的直驱风电机组减载调频策略

直驱永磁风电机组常用的减载调频控制策略缺乏对风电机组运行经济性和调频能力的考虑,易导致系统出现调频能力不足或备用功率冗余的问题,对此提出了一种基于变减载率的优化减载调频策略。首先划分不同的风速模式,确立不同模式下的超速与变桨距协调控制方案;其次考虑系统调频能力和发电量两因素,设计函数求取不同工况下的最优减载率;由于风速波动频繁,风机控制具有延迟,因此利用风速预测和滑动窗口法对最优减载率做进一步调整;最后搭建系统仿真模型,通过改进的频率控制动态调整减载率参与系统调频。仿真实验表明,所提控制策略与常用的策略相比在实时风速、负荷扰动下系统频率动态偏差减小、达到最低值的时间延长,风机发电量增加,桨距角变化量减小。该策略能满足调频需求,提升调频质量,减小机械磨损,提高风机运行的经济性。

变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响

为了研究变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响,以某型液体火箭发动机带变螺距诱导轮的氢泵作为研究对象,选取3种诱导轮出口角(轮缘),分别为12°、14°和16°,采用数值仿真的方法分析了不同诱导轮出口角对氢泵流场分布、水力性能和汽蚀性能的影响,并且进行试验验证。结果表明:适当增大诱导轮出口角,可以改善诱导轮出口的流场分布;在一定范围内增大诱导轮出口角,氢泵不同流量点的扬程和总效率都会获得提升,但是继续增大出口角到16°时,氢泵扬程提升效果减弱,且总效率有所下降;随着诱导轮出口角增大,氢泵的汽蚀性能先提升后降低。

航空变距螺旋桨工作状态力学分析

以航空变距螺旋桨为研究对象,在介绍其基本理论的基础上,对变距螺旋桨不同工作状态的受力情况及适用时机进行理论分析,重点研究不同飞行速度和飞行高度时风车状态的负拉力特性,并给出了风车状态的简要处置思路,为变距螺旋桨的学习和使用维护提供理论支撑。

无人机变距电推进系统动力学模型的建立

针对应用于中小型无人机上的变距电推进系统动力学建模问题,首先,基于叶素理论和等效电路模型推导变距电驱动系统的非线性模型结构,该模型由一阶惯性环节与非线性混合项组成;其次,搭建试验平台,介绍了测控系统的软硬件设计方案,并给出了系统辨识所需参数的采集方法;最后,给出了动力学模型参数辨识的方法,根据辨识结果建立系统的仿真模型,通过对比仿真结果与实际数据,验证了本文模型的准确性。

风力发电机组直驱永磁同步电机高风速下宽转速运行控制策略研究

大力发展海上风力发电、构建以可再生能源为主体的电力系统是实现“双碳”的途径之一。而随着风电接入电网的容量不断增加,电力系统在频率稳定方面面临更多挑战。本文基于变速运行特性,分析了直驱永磁同步电机在高风速下风力发电机组的转速范围。风力发电机组的可变转速可形成虚拟飞轮储能装置,从而释放能量与吸收能量,故可使用该虚拟飞轮储能系统作为电力系统短期调频用。本文推导了风力发电机组机侧变换器与网侧变换器的控制策略,并给出了有功功率参考值给定方法。同时,分析了变桨距角控制策略。为验证控制策略,搭建了仿真模型。仿真结果表明在随机高风速工况下,风力发电机组可输出平滑的功率,具有短期调频能力。

小型涡轮平面叶栅试验段设计

Performance improvement of the high-load transonic turbine is the key method of improving the thrustto-weight ratio or the power density of gas turbine engines. In order to investigate the flow behaviors inside the high load turbine cascades, a linear turbine cascade test section is designed, which enables the Schlieren photography and static pressure measurement along the cascade profile can be conducted. Variable pitch is realized in the test section to achieve different Zweifel coefficients. Due to the capability limitation of the air supplier, the test section is designed to have only5 blade channels with shortened blade height to achieve high Mach number flow conditions. Numerical investigations were carried out to investigate the wall effect and its in fluences on the flow fields inside the test section. The result indicates that the shape of the connecting part of the test section has a significant influence on the flow similarity among different blade passages. With the proper design, a good repetition flow is achieved between neighbored blade passages.

基于自适应遗传算法的风电机组变桨控制参数自寻优方法

当前,风力发电机组变桨系统采用传统PID参数整定方法,整定效率低、精确度和适应性差。为此,文章提出一种基于自适应遗传算法的风力发电机组变桨控制参数自寻优方法,包括变增益变桨PID参数自寻优和塔架加阻参数自寻优。其首先阐述了变桨控制系统基本原理;接着基于遗传算法根据风力发电机组不同机型对约束条件进行规划设计,涉及初始种群选择、自寻优算法约束及适应度函数设计;最后对传统参数整定方法与自寻优参数整定方法的响应曲线、仿真及现场运行结果进行对比分析。结果表明,相较传统方法整定的PID参数,自寻优变桨参数下发电机转速波动约降低10%,塔底My疲劳载荷约降低2%,对整定效率、精确度及适应性具有较好的改善效果。

基于遗传粒子群算法风电机组变速与变桨系统PI控制器设计

为了提升风电机组的控制精度并降低关键承载部件的载荷情况,通过遗传粒子群方法研究了变速与变桨系统比例积分(proportional integral,PI)控制器的设计。首先,采用泰勒级数将风电机组线性化展开为状态空间方程。然后,通过提取输入、输出和平衡点分别构建变速与变桨系统的数学模型。其次,分别采用Routh法和最小二乘法将变速与变桨系统辨识为低阶惯性系统和惯性时延系统。然后分别基于时间加权绝对误差积分准则和Chien-Hrones-Reswick法整定变速与变桨系统PI控制参数。最后,采用帕累托方法分配控制目标的权重关系并基于遗传粒子群算法优化变速与变桨系统PI控制参数,进而采用最小二乘法将其分别与风速和桨距角拟合构建自适应PI控制。结果表明:在变速控制中能够有效提升输出功率并抑制塔架顶部侧向振动;在变桨控制中能够有效平抑输出功率和发电机转速波动并降低叶片根部载荷情况。可见通过遗传粒子群方法设计的变速与变桨系统PI控制器具有良好的有效性和适用性。

变螺距推进器设计与研究

本文提出了一种采用螺距变化方式实现侧向力输出的水下航行器推进器方案.该推进器内部有主推电机、螺距控制电机及齿轮组,螺距控制轴与推进主轴同轴安装,通过对电机转速进行控制可以周期性地改变桨叶的螺距角,从而实现侧向力输出.采用计算流体动力学(CFD)方法对该推进器的水动力特性进行了研究,结果表明:采用正弦曲线的规律控制螺距角变化可以产生稳定的侧向力,侧向力曲线在桨盘极坐标下为圆形;平均侧向力方向与螺距控制初始相位方向一致;在螺距角变化幅值为9°的情况下,产生的平均侧向力大小约为40 N.此外还仿真研究了侧向力、推力与螺距角变化幅值、转速的关系,结果表明:当螺距角变化采用正弦曲线时,推进器产生的平均侧向力与螺距角变化幅值及转速的平方成正比;而平均推力受螺距角变化幅值影响不大,与转速的平方成正比.将仿真结果应用于自主水下航行器(AUV)的动力学模型,验证装有此推进器的AUV的操纵情况.计算结果表明,当水下升潜和水平回转运动时,采用基于螺距控制的推进器可以实现良好的操纵效果.相较于传统的螺旋桨+舵的操纵方式,该方案结构简单、减少了电机数量、提升了AUV艉部空间利用率.与已有矢量推进方案相比,变螺距推进器具有结构简单、可靠性高、侧向力可控性好的优点.台架测试结果表明该变螺距原理能够实现桨叶螺距的周期调整,可用于实现AUV平台的矢量推进.

基于DDPG算法的风力发电机变桨距控制研究

风电机组模型的不确定性以及风速等外部干扰严重影响风电机组输出功率的稳定性,基于准确风机参数的传统控制策略难以满足系统控制需求。因此,提出了一种基于DDPG算法的风机变桨距控制器。借助强化学习仅需与环境交互无需建模的优势,以风机模型为训练环境,功率为奖励目标,变桨角度为输出,采用深度神经网络搭建Actor-Critic单元,训练最优变桨策略。采用阶跃、低湍流、高湍流3种典型风况对算法进行检测。仿真结果表明,不同风况下基于DDPG算法控制器的控制精度、超调量、调节时间等性能均优于传统比例-积分-微分控制器效果。