风力发电的变桨距控制研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
风力发电的变桨距控制方法研究
一源自文库论
1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义
1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状
二风力发电的控制系统介绍
2.1控制系统的重要性
2.2控制系统的功能
2.2.1启动控制
2.2.2并/脱网控制
2.2.3制动控制
三风力发电机的变桨距控制系统
3.1变桨距机构
3.1.1变桨距调节的工作原理
随着风电机组大型化的发展，风机的叶片直径在不断的增大，叶片、传动轴和塔架等风机主要部件的柔性和弹性都相应变大、阻尼变小，导致大型风电机组的低频模态越来越密集，各阶模态的交叉耦合几率加大，使得大型风电机组承受的不平衡载荷更加复杂。尤其是风轮直径增加后，风轮叶片承受来流时变、风切变、塔影效应等影响产生的不平衡载荷更加明显，引起桨叶产生大范围的挥舞和摆振，严重影响到风电机组传动机构等部件的机械应力和疲劳寿命。由此，变桨控制技术得到世界共识并快速发展。变桨距控制的优点是具有较高的风能利用系数，能够确保高风速段的额定功率，提高风力机组起动性能与制动性能，提高风机的整体柔性度，减小整机和桨叶的受力状况等。因此，国际风力发电市场的主流产品大都应用变桨距控制。从目前看，变桨距控制有两种，一种是统一变桨控制，另一种是独立变桨控制。统一变桨采用三个桨叶统一控制的方式，叶片桨距角的调节主要根据风能利用系数和功率输出，无法兼顾风轮旋转平面内因风况、风速的不同对桨叶产生的轴向拍打和震动，尤其是对大型风电机组，叶片的直径大都在几十米以上，风切变效应和塔影效应的影响是无法避免的，从而使得每个桨叶的受力不同，而且在风轮的连续旋转下，桨叶受力处于持续的波动之中，对风机的稳定性和使用寿命产生不良影响。此外，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，所以，叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的。
风电机组要求变桨系统具有较高的可靠性，而我国液压行业水平与发达国家存在明显的差距，因此，液压变桨实现国产化的难度非常高。相对于液压驱动变桨系统，电动变桨系统在国内应用较多，国内渠道培养及发展的时间也较长，可选择度也较大。由于电动行业在国内发展的较好，各部件的国产化率较高，但在高可靠性、高稳定性的部件上进口产品仍居主导位置。世界风电厂家有Vestas，Enercon，Gamesa，Aeciona，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份额最大，超过百分之三十，它连同Gamesa都主要采用液压变桨系统。
3.1.2变桨距机构的组成
3.2(电动)变桨距装置
3.2.1变桨距驱动装置
3.2.1变桨距执行机构
四风电机组变桨距控制方法研究
4.1变桨距控制的研究方法
4.2风力发电的变桨距功率控制法
4.2.1变桨距功率控制法模型
4.1.2系统的软件设计
五功率控制法的改进
一概论
1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义
同世界发达国家的水平相比，我国的风机生产水平也有很大差距。目前，我国并网型风电机的主要提供商为Bonus、Vestas、NEG-Micom、Nordtank、Nordex、Gamesa等国外厂家。由此可见，我国的主流风电机型仍然依赖进口，或者与外商合作生产。而相对国外的这些产品来说，我国风力发电设备的国产化水平不高，恰恰这些进口设备的造价又昂贵，再加上地域和文化的差异等原因，维护工作也往往不能及时进行。对我国风电的产业化进程形成了严重障碍。
独立变桨距控制是在统一变桨距控制的基础上发展起来的，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，按照各个桨叶所处的不同位置和不同风速分别进行调节，不仅能够跟踪最大风能的捕获和稳定发电机的输出功率，而且能够有效减小桨叶的拍打震动以及风机的其他扰动影响。甚至其中一个变桨距执行机构出现故障，其它两个桨叶仍能调节桨距角实现功率控制，从而大大提高风机的稳定性和耐疲劳寿命。由此，独立变桨距控制技术成为当今世界各国大型风电机组控制技术研究的热点，也是现代风机控制理论研究的难点。独立变桨系统按照原理又分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样。电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。
近几年来，世界各国大型风电力发电机组得到了迅猛发展，大型MW级风电机组在世界主要国家已经投入产业化生产。目前，国际主流的大型风电机组2.5MW、3MW以及5MW的大型风电机组已推向市场，10MW超巨型风电机组正在试验当中。机组单机容量从2MW到3MW的风电机组已经成为世界各国研发的主力机型，单机容量从3MW到5MW的机组已经成为海上风电场的主力机型，10MW的超大型海上风电机组也已经研制成功。尤其是欧洲各国，风电技术和风电产业发展居于世纪领先地位，比如：2006年，德国REPOWER公司就已在海上安装了两台5MW海上风电机组；2007年，德国Enercon公司安装了一台6MW的海上风力发电机组；2009年比利时WindVision公司在比利时安装了11台7MW的直驱风力发电机组。
二风力发电的控制系统介绍
2.1控制系统的重要性
风电机组的控制系统是一个综合控制系统。它不仅要监视电网，风况和机组运行参数，对机组运行进行控制；而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。图2.1是风电机组工作原理图。
图2.1风电机组工作原理的框图
风力发电控制系统在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下,获得较稳定的电压输出,以及如何解决无风时的用电问题。既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。控制系统在风电机组中的作用犹如人的大脑，进行风力发电机组的运行管理。
2.2控制系统的功能
风力发电系统从风电机组的启动，风能的最大捕捉，并网脱网，以及制动等过程都需要控制系统的参与。所以控制系统的功能按不同的过程来分有启动控制，并/脱网控制，制动控制以及对发出电能的功率控制。由于风速是时刻变化的，发出的功率受风速的影响，在低风速时进行最大功率捕捉，在高风速时进行输出功率的稳定控制。
1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状
在软件方面，国内的变桨控制基本被国外厂商垄断，国内一些科研机构开始着手变桨软件系统的研究，但是由于缺乏经验，与国外的变桨控制策略相比差距很大。近年来，一些新型的控制理论被应用到风机系统当中，如模糊控制、神经网络智能控制、鲁棒控制、功率控制等，使得对风机的控制更加智能化。
一源自文库论
1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义
1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状
二风力发电的控制系统介绍
2.1控制系统的重要性
2.2控制系统的功能
2.2.1启动控制
2.2.2并/脱网控制
2.2.3制动控制
三风力发电机的变桨距控制系统
3.1变桨距机构
3.1.1变桨距调节的工作原理
随着风电机组大型化的发展，风机的叶片直径在不断的增大，叶片、传动轴和塔架等风机主要部件的柔性和弹性都相应变大、阻尼变小，导致大型风电机组的低频模态越来越密集，各阶模态的交叉耦合几率加大，使得大型风电机组承受的不平衡载荷更加复杂。尤其是风轮直径增加后，风轮叶片承受来流时变、风切变、塔影效应等影响产生的不平衡载荷更加明显，引起桨叶产生大范围的挥舞和摆振，严重影响到风电机组传动机构等部件的机械应力和疲劳寿命。由此，变桨控制技术得到世界共识并快速发展。变桨距控制的优点是具有较高的风能利用系数，能够确保高风速段的额定功率，提高风力机组起动性能与制动性能，提高风机的整体柔性度，减小整机和桨叶的受力状况等。因此，国际风力发电市场的主流产品大都应用变桨距控制。从目前看，变桨距控制有两种，一种是统一变桨控制，另一种是独立变桨控制。统一变桨采用三个桨叶统一控制的方式，叶片桨距角的调节主要根据风能利用系数和功率输出，无法兼顾风轮旋转平面内因风况、风速的不同对桨叶产生的轴向拍打和震动，尤其是对大型风电机组，叶片的直径大都在几十米以上，风切变效应和塔影效应的影响是无法避免的，从而使得每个桨叶的受力不同，而且在风轮的连续旋转下，桨叶受力处于持续的波动之中，对风机的稳定性和使用寿命产生不良影响。此外，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，所以，叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的。
风电机组要求变桨系统具有较高的可靠性，而我国液压行业水平与发达国家存在明显的差距，因此，液压变桨实现国产化的难度非常高。相对于液压驱动变桨系统，电动变桨系统在国内应用较多，国内渠道培养及发展的时间也较长，可选择度也较大。由于电动行业在国内发展的较好，各部件的国产化率较高，但在高可靠性、高稳定性的部件上进口产品仍居主导位置。世界风电厂家有Vestas，Enercon，Gamesa，Aeciona，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份额最大，超过百分之三十，它连同Gamesa都主要采用液压变桨系统。
3.1.2变桨距机构的组成
3.2(电动)变桨距装置
3.2.1变桨距驱动装置
3.2.1变桨距执行机构
四风电机组变桨距控制方法研究
4.1变桨距控制的研究方法
4.2风力发电的变桨距功率控制法
4.2.1变桨距功率控制法模型
4.1.2系统的软件设计
五功率控制法的改进
一概论
1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义
同世界发达国家的水平相比，我国的风机生产水平也有很大差距。目前，我国并网型风电机的主要提供商为Bonus、Vestas、NEG-Micom、Nordtank、Nordex、Gamesa等国外厂家。由此可见，我国的主流风电机型仍然依赖进口，或者与外商合作生产。而相对国外的这些产品来说，我国风力发电设备的国产化水平不高，恰恰这些进口设备的造价又昂贵，再加上地域和文化的差异等原因，维护工作也往往不能及时进行。对我国风电的产业化进程形成了严重障碍。
独立变桨距控制是在统一变桨距控制的基础上发展起来的，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，按照各个桨叶所处的不同位置和不同风速分别进行调节，不仅能够跟踪最大风能的捕获和稳定发电机的输出功率，而且能够有效减小桨叶的拍打震动以及风机的其他扰动影响。甚至其中一个变桨距执行机构出现故障，其它两个桨叶仍能调节桨距角实现功率控制，从而大大提高风机的稳定性和耐疲劳寿命。由此，独立变桨距控制技术成为当今世界各国大型风电机组控制技术研究的热点，也是现代风机控制理论研究的难点。独立变桨系统按照原理又分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样。电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。
近几年来，世界各国大型风电力发电机组得到了迅猛发展，大型MW级风电机组在世界主要国家已经投入产业化生产。目前，国际主流的大型风电机组2.5MW、3MW以及5MW的大型风电机组已推向市场，10MW超巨型风电机组正在试验当中。机组单机容量从2MW到3MW的风电机组已经成为世界各国研发的主力机型，单机容量从3MW到5MW的机组已经成为海上风电场的主力机型，10MW的超大型海上风电机组也已经研制成功。尤其是欧洲各国，风电技术和风电产业发展居于世纪领先地位，比如：2006年，德国REPOWER公司就已在海上安装了两台5MW海上风电机组；2007年，德国Enercon公司安装了一台6MW的海上风力发电机组；2009年比利时WindVision公司在比利时安装了11台7MW的直驱风力发电机组。
二风力发电的控制系统介绍
2.1控制系统的重要性
风电机组的控制系统是一个综合控制系统。它不仅要监视电网，风况和机组运行参数，对机组运行进行控制；而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。图2.1是风电机组工作原理图。
图2.1风电机组工作原理的框图
风力发电控制系统在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下,获得较稳定的电压输出,以及如何解决无风时的用电问题。既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。控制系统在风电机组中的作用犹如人的大脑，进行风力发电机组的运行管理。
2.2控制系统的功能
风力发电系统从风电机组的启动，风能的最大捕捉，并网脱网，以及制动等过程都需要控制系统的参与。所以控制系统的功能按不同的过程来分有启动控制，并/脱网控制，制动控制以及对发出电能的功率控制。由于风速是时刻变化的，发出的功率受风速的影响，在低风速时进行最大功率捕捉，在高风速时进行输出功率的稳定控制。
1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状
在软件方面，国内的变桨控制基本被国外厂商垄断，国内一些科研机构开始着手变桨软件系统的研究，但是由于缺乏经验，与国外的变桨控制策略相比差距很大。近年来，一些新型的控制理论被应用到风机系统当中，如模糊控制、神经网络智能控制、鲁棒控制、功率控制等，使得对风机的控制更加智能化。