大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析_戴巨川
大型变桨距直驱式风电机组系统建模与控制策略研究
大型变桨距直驱式风电机组系统建模与控制策略研究一、概览随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的逐渐加强，风能作为一种清洁、可再生的能源形式，正日益受到人们的关注。
风能发电作为一种重要的清洁能源利用方式，具有巨大的发展潜力。
风能发电过程中存在诸多挑战，其中之一就是风能的间歇性和不稳定性。
为了克服这些挑战，大型变桨距直驱式风电机组技术应运而生。
大型变桨距直驱式风电机组是一种先进的风电机组技术，其核心特点在于通过变桨距技术实现叶片角度的精确调节，从而适应风速的波动，保证风电机组的稳定运行。
采用直驱技术可以减少传动环节，降低机械损耗，提高整体效率。
本文将对大型变桨距直驱式风电机组系统进行建模与控制策略研究。
将对风电机组系统的结构和工作原理进行简要介绍；将建立风电机组系统的数学模型，包括风力机模型、发电机模型以及控制器模型等；将探讨风电机组系统的控制策略，包括功率控制、叶片角度控制以及故障诊断与处理等方面。
通过本文的研究，旨在为大型变桨距直驱式风电机组的设计和应用提供理论支持和技术指导，推动风能发电技术的进一步发展。
1.1研究背景随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，风能作为一种清洁、可再生的能源形式受到了越来越多的关注。
风能发电作为一种重要的清洁能源利用方式，具有巨大的发展潜力。
风能发电系统的效率和稳定性一直是制约其大规模应用的关键因素之一。
特别是大型风电机组，由于其规模大、参数复杂、非线性等特点，给风能发电系统的建模和控制带来了很大的挑战。
传统的风电机组建模方法往往基于简化假设和数值积分等手段，难以准确反映风电机组的真实动态特性。
传统的控制策略在面对大型风电机组时也显得力不从心，容易出现振荡、失稳等问题。
开展大型变桨距直驱式风电机组系统的建模与控制策略研究，对于提高风能发电系统的性能、降低投资风险、推动风能发电技术的快速发展具有重要意义。
1.2研究意义随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，风能作为一种清洁、可再生的能源形式，正逐渐成为人类社会探索可持续能源发展的重要方向。
大型风力发电机组变桨距机构分析与实验研究
收稿日期:2006-08-21.基金项目:国家863计划资助项目(2100AA512022).作者简介:单光坤(1968-),女,辽宁沈阳人,副教授,博士生,主要从事大型风力发电机组变桨距技术等方面的研究.文章编号:1000-1646(2007)02-0209-04大型风力发电机组变桨距机构分析与实验研究单光坤,刘颖明,姚兴佳(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)摘 要:旨在确定变桨距机构的结构形式,通过精炼设计校核变桨距机构的技术参数,论证变桨距机构的合理性,确保兆瓦级风力发电机组在60m 高空稳定工作.通过不同的变桨距机构方案的对比,找出各种变桨距机构的优缺点,完成兆瓦级风力发电机组变桨距结构的确定;利用数值算法进行变桨距机构参数的精炼设计;利用实验装置验证变桨距机构的合理性.最终,兆瓦级风力发电机组采用了液压变桨距结构形式,由数值算法给出了液压变桨距结构的最大负载力矩;并利用实验装置验证完成了在地面上的变桨距机构的调试工作,证明了变桨距机构在额定工况下能正常工作.在兆瓦级风力发电机组的调试过程中变桨距机构工作正常、稳定,达到了预期设计的目标.关 键 词:大型风力发电机组;变桨距机构;载荷分析;加载试验;测试工装中图分类号:T M 614 文献标识码:APitch regulated mechanism analysis and experiment of large wind turbineSHAN Guang kun,LIU Ying ming,YAO Xing jia(Wind Ener gy Institute o f T echnolog y,Shenyang U niversity of T echnology,Sheny ang 110023,China)Abstract:The research is to determine the pitch regulated mechanism of a large w ind turbine,check the technical parameters of pitch regulated mechanism by refine design,and demonstrate the rationality of pitch reg ulated mechanism,w hich w ill ensure the stable operation of the w ind turbine on the tow er of 60meters.The different pitch regulated mechanisms w ere compared to determine their advantages andshortcom ing s and select the best mechanism.T he refine desig n for the technical parameters of pitch regulated mechanism w as done by numerical analysis method.T he rationality of pitch regulated mechanism w as demonstrated by ex periments.At last,a hydraulic pitch regulated mechanism was selected for the megawatt wind turbine.T he max imum load moment of pitch regulated mechanism w as given by numerical analysis method,and the regulation and test on the ground w ere carried out.T he pitch regulated mechanism operates normally under rated condition and the desired results have been achieved.Key words:large w ind turbine;pitch regulated mechanism;load analysis;loading test;test technolog icalequipment变桨距风力发电机组,其桨叶桨距角在电气控制下可随时调整,当风速超过额定风速后,机组可通过调整叶片桨距角,保证其转速不变,输出额定功率,提高了机组利用率;变桨距型风力发电机组,在机组并网与脱网时,通过调整叶片桨距角,可使机组输出功率到最小,这样减小了机组在并网与脱网时的冲击电流,提高了机组寿命和电网质量[1];变桨距型风力发电机组,在其进行刹车制动时,由于其可先进行叶片变距气动刹车,再进行机械刹车,这样减小了机械刹车力矩,降低了刹车对机组部件的损害,提高了机组的寿命[2].由此,变桨距型风力发电机组将会成为大型风力发电机组发展的主流.沈阳工业大学风能技术研究所自主开发设计的1MW 风机采用了变桨距的形第29卷第2期2007年4月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 29No 2Apr.2007式.变桨距机构作为变桨距型风力发电机的关键部件直接影响到机组的正常运行,本文对1M W 风力发电机的变桨距机构从理论上进行了精炼设计分析,从实验上论证了变桨距机构的合理性.1 变桨距机构类型变桨距机构是变桨距型风力发电机组的核心.目前国际上大型风电机组的变桨距机构主要有两种实施方案[3]:机械齿轮传动变距与液压驱动变距.机械齿轮传动变距是利用伺服电机作为原动机,经过减速器通过齿轮副,带动桨叶旋转.这种变距方案,每一片桨叶都由一套独立的电动机、减速器和齿轮副驱动,因此变距力大,但电气布线困难,并且要求三个电动机运行同步,增加了控制上的难度.由于电动机、减速器、齿轮等部件均在轮毂内,增加了风轮重量和轮毂制造难度,而且维护也极不方便.液压驱动变距是利用液压缸作为源动机,通过曲柄滑块机构推动桨叶旋转.由于液压系统输出力大,变距机构可以做得很紧凑.液压驱动变距也有两种结构:一种是通过轮毂内三个液压缸和三套曲柄滑块机构分别驱动三片桨叶.这种方案变距力很大,但存在三个液压缸同步控制难,电气布线困难,风轮重量增加,轮毂制造难度加大,维护不便等问题;另一种结构是液压站,液压缸放在机舱内,通过一套曲柄滑块机构同步推动三片桨叶旋转.这种结构电气布线方便,而且降低了风轮重量和轮毂制造难度,维护也很容易,但这种结构要求传动机构的强度、刚度较高.2 大型风力发电机组变桨距机构本兆瓦级风电机组是变桨距型风力发电机组[4],采用的是液压缸作为源动机,通过一套曲柄滑块机构同步驱动三片桨叶变距的方式.2 1 变桨距机构组成本机组的变桨距机构主要由推动杆、支撑杆、导套、防转装置、同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘、桨叶法兰等部件组成.其结构如图1所示[5].图1 变桨距机构Fig 1 Pitch regulated mechanism各组成部件作用如下:推动杆:传递动力,把机舱内液压缸的推力传递到同步盘上.支撑杆:是推动杆轮毂端径向支撑部件.导套:与支撑杆形成轴向运动副,限制支撑杆的径向运动.同步盘:把推动杆的轴向力进行分解,形成推动三片桨叶转动的动力.防转装置:防止同步盘在周向分力作用下转动,使其与轮毂同步转动.其中同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘组成了曲柄滑块机构,将推动杆的直线运动转变成偏心盘的圆周运动.该机构的工作过程如下:控制系统根据当前风速,以一定的算法给出液压缸的位移信号,液压系统根据位移指令信号驱动液压缸,液压缸带动推动杆,同步盘运动,同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动,偏心盘带动桨叶进行变距.2 2 变桨距机构分析该变桨距机构简图如图2所示.图2 变桨距机构运动简图F ig 2 Schematic movement of pitch regulated mechanism图中:od 摇杆;210 沈 阳 工 业 大 学 学 报第29卷df 连杆;od摇杆初始位置与水平线夹角;X 推杆位移;摇杆从初始位置转过角度;L 连杆长度.该机构的受力分析:该变桨距机构主要承受和传递来自两个方向的载荷:桨叶的旋转力矩和液压缸的输出力.桨叶旋转力矩的x轴分量传给液压缸的推动杆,y轴分量通过防转装置传给轮毂.油缸的输出载荷传递路线则相反,最后通过桨叶法兰的转动达到对桨叶变距操纵的目的.2 3 变桨距机构顺桨力的分析与计算[6]风电机组在工作状态下,作用于每个桨叶变距轴(桨叶大梁)上的阻力矩由如下几部分组成: M1=M j+M z+M m+M e+M f式中:M j 由桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩;M z 由空气动力作用而产生的气动力矩;M m 桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩;M e 弹性变形引起的力矩;M f 由变距机构各摩擦副而产生的摩擦阻力矩.1)由桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩M j在变距过程中,桨叶产生的最大惯性阻力矩为M j max=J22=10856 56Nm式中:J 桨叶对变距轴(大梁)的质量惯性矩,2200kg/m2;风轮回转角速度,3 1416/s.2)空气动力作用而产生的气动力矩M z空气动力作用而产生的气动力矩M z已由第602研究所得出计算结果.但其方向与M j相反,是使桨叶安装角增大的方向,且与M j相比其数值也较小,故为了安全起见,可以不考虑.3)桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩M m设桨叶轴均通过各截面重心,并位于风轮旋转平面内,即M m=0.4)弹性变形引起的力矩M e设桨叶不变形,即M e=0.5)由变距机构各摩擦副而产生的摩擦阻力矩M f支承桨叶轴的轴承是一个回转支承轴承,其空载摩擦阻力矩值为950Nm,其他机构摩擦阻力矩以效率计为0 95.故使桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力矩为M1=(M j max+950)/0 95=12427 96Nm 也就是说,在最恶劣情况下,使桨叶顺桨停机时,需作用于每支桨叶轴上的驱动力矩为M1=12427 96Nm风轮共三支桨叶,故M=M13=37283 87Nm已知驱动桨叶的曲柄长R,曲柄最大角度 =46!,故变距机构拉杆拉力为P=MR cos=82853N=8454 4kg液压站提供给变距机构的力随桨距角的变化而变化[7],其关系如图3所示;在外力矩为37283 87Nm时,变桨距系统所需要的力随桨距角的变化而变化[8],其关系如图4所示.由图3和图4可以看出,在外力矩为37283 87Nm时,变桨距系统工作正常.图3 液压系统压力与桨距角的关系Fig 3 Relationship between hydraulic pressure and pitch angle图4 变距系统需要的力与桨距角的关系(M=37283 87Nm)F ig 4 Relationship betw een necessar y pressure andpitch ang le(M=37283 87Nm)211第2期单光坤,等:大型风力发电机组变桨距机构分析与实验研究3 变桨距机构的负载试验测试目的:在设计外力矩条件下,测试机构能否准确完成顺桨及开桨工作.测试方法:通过测试工装,同时在三个变桨矩轴承内环的桨叶安装孔上加相同的重力,使三个变桨矩轴承内环产生与顺(开)桨力矩相反力矩.设计顺桨力矩:37283 87Nm设计开桨力矩:12428Nm测试工装[9-10]如图5所示,该装置与桨叶轴承内环连接,其上有6个滑轮,开桨时在1、3、5滑轮处各挂上一个重量相等的重锤,使产生转矩为12428Nm;顺桨时在2、4、6滑轮处各挂上一个重量相等的重锤,使产生转矩为37283 87Nm.图5 测试工装F ig 5 T est technological equipment测试结果:1)全行程变桨距试验(开、关桨)动作到位;2)变桨速度试验,动作时间可调、机构运动平稳;3)任意变桨距位置停止准确、位置重复精度和任意位置飘移量满足设计要求.4 结 论从理论上通过数值计算方法精炼设计了兆瓦风力发电机组变桨距机构的技术参数;通过地面试验验证了1MW 兆瓦风力发电机组变桨距机构合理,各部件参数选择正确,可以实现变桨距机构设计的预期目标,为1MW 风力发电机组的安全运行提供了保障.此风机已于2005年7月完成安装和现场调试,变桨距机构工作正常.参考文献:[1]武鑫,赵斌.并网型风电机组的调节控制[J].太阳能学报,2003(4):24-25.(WU Xin,ZHA O Bin.M odulation and control grid connected w ind turbine [J].Solar Energy ,2003(4):24-25.)[2]李强,姚兴佳,陈雷.兆瓦级风电机组变桨距机构分析[J].沈阳工业大学学报,2004(2):146-148.(L I Q iang ,Y AO Xing Jia,CHEN L ei.Pitch mecha nism analysis o f megawatt stage w ind turbine [J ].Journal of Shenyang U niversit y of T echnolog y,2004(2):146-148.)[3]Xing Z X,Chen L.T he compariso n of sever al variablespeed wind generation set 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大型风电机组变速变桨距协调控制技术研究
大型风电机组变速变桨距协调控制技术研究徐浩;夏安俊;胡书举;赵斌【摘要】随着风电机组单机容量增大,人们对于机组运行稳定性的关注也越来越高.变速变桨距协调控制技术被认为是变速恒频风力发电系统理想的控制方案.在欠负荷运行区域,为应对极端风况,引入变桨加速度控制器;在满负荷运行区域,引入了基于转矩和功率的混合控制算法,保证了机组的转速和功率的平滑性.利用风力发电仿真软件——GH Bladed对控制算法进行了仿真验证.将控制策略应用在某风力发电场的双馈风力发电机组上,控制效果良好.%With the increasing capacity of the wind turbines, more and more attention is focused on how to improve the operating stability. Coordinated control between torque control and pitch control is proved to be an effective strategy on variable speed constant frequency (VSCF) wind power system. In partial load area, an extra pitch controller which control accelerate speed was introduced to respond extreme wind speed I in full load area, a mixed approach was adopted to maintain the nominal power production and rated rotor speed. Simulations were conducted in the professional software GH Bladed based on the proposed control strategies. Finally. The field experiments were carried out in wind plant of doubly-fed wind turbine. The stability and validity of control strategies are proved completely.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】5页(P32-36)【关键词】变速变桨距;协调控制;变速恒频;稳定性【作者】徐浩;夏安俊;胡书举;赵斌【作者单位】中国科学院风能利用重点实验室,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院风能利用重点实验室,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院风能利用重点实验室,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院风能利用重点实验室,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190【正文语种】中文【中图分类】TM6141 引言变速变桨距风力发电机组是风力发电技术发展的主流方向，能够确保风电机组在风速较小时通过调节发电机转速，可以使转速跟随风速，提高风能利用效率，实现最大风能捕获；在风速较大时，通过调节叶片桨距角限制风力机的能量输入，从而控制发电机输出功率平稳，提高风力机组启动性能与制动性能，减小桨叶受力不平衡，抑制塔架振动，降低机组结构载荷，提高机组的柔性度等。
风力发电机组变桨距技术实用新型专利保护
风力发电机组变桨距技术实用新型专利保护风能作为一种永续可再生的能源形式，其开发和利用在近年来得到了广泛推广和应用。
作为风力发电机组的核心部件，变桨距技术对风能的转化效率和发电效果具有重要影响。
为了保护和推动这一关键技术的创新和应用，专利保护成为一项十分重要的工作。
本文将对风力发电机组变桨距技术实用新型专利保护进行论述和讨论。
一、风力发电机组变桨距技术的意义风力发电机组中的变桨距技术是指通过对叶片桨距进行调整来实现风能转化的最佳效果。
它不仅可以提高风能的利用效率，还可以提高风力发电机组的安全性能。
具体来说，变桨距技术可以根据风速和风向的变化，调整叶片的角度，使其始终保持在最佳工作状态，从而最大程度地捕捉和利用风能。
同时，通过变桨距技术可以降低叶片与风的阻力，减少机组的振动和噪音，提高机组的稳定性和可靠性。
二、风力发电机组变桨距技术的创新在风力发电领域中，变桨距技术的创新一直是各企业和科研机构关注的焦点。
通过引入新材料、新结构和新控制系统等手段，不断提高变桨距技术的效率和可靠性。
例如，采用碳纤维材料制造叶片，可以实现更轻量化和更高强度的要求；采用智能控制系统，可以实现对叶片桨距的精确控制和根据实时气象数据的调整。
这些创新能够大大提高风力发电机组的性能和运行效果。
三、风力发电机组变桨距技术实用新型专利保护的必要性由于风力发电机组变桨距技术的创新属于技术发明，因此对其进行专利保护十分必要。
专利保护既可以保护创新者的合法权益，又可以推动技术的进步和产业的发展。
通过申请实用新型专利，创新者可以获得一定的专有权，防止他人侵犯其创新成果。
同时，实用新型专利保护的范围更广，并且审查周期较短，能够更快地获得专利权。
因此，在风力发电机组变桨距技术的实际创新中，申请实用新型专利成为了最佳的选择。
四、风力发电机组变桨距技术实用新型专利保护的申请要点在申请风力发电机组变桨距技术实用新型专利时，需要注意以下几个要点：1. 确定新颖性和创造性：申请实用新型专利需要证明该技术与现有技术相比具有明显的新颖性和创造性。
大型风力发电机组变桨距控制系统探究
大型风力发电机组变桨距控制系统探究发表时间：2017-10-23T17:09:49.417Z 来源：《电力设备》2017年第15期作者：宋德喜[导读] 摘要：随着可持续发展战略的提出，我国正在大力开发清洁能源，风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约资源，而且可以减少环境污染，保护生态环境，因此，风电产业得到了迅速的发展。
（龙源陕西风力发电有限公司陕西西安 710065）摘要：随着可持续发展战略的提出，我国正在大力开发清洁能源，风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约资源，而且可以减少环境污染，保护生态环境，因此，风电产业得到了迅速的发展。
本文针对大型风力发电机组变桨距控制系统进行了简单的探究，以提出对风力发电技术有用的建议。
关键词：风力发电机组；变桨距控制系统；探究风力发电作为一种具有良好经济效益和社会效益的新能源，越来越受到各国的重视。
变桨距控制技术成为了当前风力发电技术的发展趋势和方向。
而变桨距控制系统作为大型风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组稳定、安全、高效的运行具有重要的作用，稳定的变桨距控制已成为了大型风力发电机组控制技术的研究热点和难点之一。
本文主要讨论大型风力发电机组变桨距控制系统的详细情况，为我国风力发电机组变桨距控制系统的国产化研究提供一些设计思路和理论方法。
一、变桨距机构和变桨距控制策略（一）变桨距机构变桨距机构是通过改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化，从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，变桨距机构的特点是：叶片的桨距角可以随时进行自动调节。
风力发电机起动时，可以通过改变桨距角来获得足够的起动转矩；风速过高时，叶片可以沿纵轴方向旋转，改变气流对叶片的攻角，从而改变获得的空气动力转矩，控制吸收的风能，以保持一定的输出功率，同时减少风力对整个机组的冲击。
在并网过程中，变桨距控制还可以实现快速无冲击并网。
兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统研究的开题报告
兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统研究的开题报告一、研究背景与意义随着全球能源需求的不断增长，清洁能源已成为世界各国的共同选择。
其中，风能作为一种清洁、可再生、且无排放的能源形式，其发电量不受地域限制，成为了重要的替代能源。
目前，兆瓦级风力发电机组已经成为风电产业的主流，而其中液压变桨距系统，作为风力发电机组中重要的控制系统，其稳定性和可靠性直接影响着发电机组的正常运行。
然而，随着技术的不断升级和市场的竞争加剧，风力发电机组液压变桨距系统的要求越来越严格。
其中，液压变桨距系统的响应速度、精度、可靠性等方面都有了更高的要求。
因此，研究兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统，提高其控制精度和效率，对提升我国风电产业的核心竞争能力具有重要的意义。
二、研究内容和技术路线本研究旨在通过对兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统进行深入的研究，提高其控制精度和效率。
具体研究内容包括：1. 分析兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统的工作原理和控制策略，建立数学模型。
2. 设计液压变桨距系统的控制电路，选择合适的控制器和传感器。
3. 开发液压变桨距系统的控制软件，并进行仿真验证。
4. 搭建试验台架，进行实验研究。
验证液压变桨距系统的控制效果，并对系统控制策略进行优化。
技术路线如下：1. 对液压变桨距系统进行建模，分析系统的工作原理和控制策略，设计控制方案。
2. 根据设计方案，选取合适的控制器和传感器，设计控制电路。
3. 开发液压变桨距系统的控制软件，并进行仿真验证。
4. 搭建试验台架，进行实验研究，验证系统的控制效果，并进行优化。
三、预期研究成果和创新点本研究的预期成果包括：1. 充分了解兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统的工作原理和控制策略。
2. 设计灵活、可靠的液压变桨距系统的控制电路。
3. 开发具有高效性和稳定性的液压变桨距系统的控制软件。
4. 通过实验验证，进一步优化液压变桨距系统的性能和控制效果。
本研究的创新点在于：1. 综合考虑了液压系统的动力学和控制策略，设计高性能的液压变桨距系统。
大型风力发电机组变桨距控制技术研究
大型风力发电机组变桨距控制技术研究作者：程申高桂革曾宪文来源：《科技与创新》2016年第22期摘要：由于风速的随机性、时变性和风力发电系统的非线性等特点，根据对风速特性、桨叶空气动力学理论的分析，提出了基于前馈补偿的独立变桨距控制策略，分别采用方位角和加速度权系数分配对各个桨叶单独进行控制，然后根据前馈补偿理论分别对2种控制方法进行补偿。
通过建模仿真和比较2种方法，结果表明：2种控制策略都能在稳定输出功率的同时降低桨叶的拍打振荡和不平衡载荷，减轻风机的疲劳载荷。
前者简单易行、成本低，具有很好的工程应用价值；后者对风速应对能力更强，响应速度更快。
关键词：独立变桨距控制；前馈补偿；方位角权系数；加速度权系数中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.22.014随着风电机组单机容量的不断增大，变桨距控制技术已成为风力发电的一项关键技术。
变桨距控制通常又分为统一变桨距控制和独立变桨距控制2种方法。
独立变桨距根据桨叶所受风速或受力的不同来调节每个桨叶的桨距角，不仅能够稳定风机的输出功率，还能够降低桨叶的拍打振荡，改善风轮载荷不均匀情况，降低机组的疲劳应力，延长风机的寿命。
本文分析了风速特性、空气动力学理论，提出了基于前馈补偿理论的独立变桨距控制方法，通过仿真分析，结果表明：使用此独立变桨控制策略不但能够使风机的输出功率稳定在额定功率附近，而且能够降低机组载荷，减小桨叶振荡。
1 独立变桨距控制基本原理1.1 风速特性风切变效应是指当风速稳定时，随着高度的增加风速会不断增大。
风切变效应公式为：此外，桨叶的轴向气动力是桨叶产生拍打振荡的主要原因。
2 基于前馈补偿的独立变桨距控制策略基于桨叶方位角信号和基于桨叶加速度信号是2种基础的独立变桨距控制方法。
2.1 基于方位角权系数分配的控制策略基于方位角权系数分配的独立变桨距控制策略是通过方位角传感器来测量信号的控制方法。
《风力发电变桨距自抗扰控制技术研究及其参数整定》
《风力发电变桨距自抗扰控制技术研究及其参数整定》篇一一、引言随着全球能源结构的转型，风力发电作为清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注和重视。
其中，变桨距技术是实现风力发电机组稳定、高效运行的关键技术之一。
本文将针对风力发电变桨距自抗扰控制技术进行研究，并探讨其参数整定方法，为风力发电技术的进一步发展提供理论支持。
二、风力发电变桨距技术概述风力发电变桨距技术是通过调整风力发电机组桨叶的安装角度，改变风能转化为机械能的比例，从而实现机组输出功率的稳定和高效运行。
自抗扰控制技术则是一种能够抵抗外界干扰，提高系统稳定性的控制策略。
因此，将自抗扰控制技术应用于风力发电变桨距系统中，对于提高机组的运行性能和可靠性具有重要意义。
三、自抗扰控制技术研究自抗扰控制技术是一种基于非线性控制理论的控制策略，其核心思想是通过引入扩张状态观测器（ESO）和状态误差反馈（SEF）等方法，对系统中的扰动进行实时观测和补偿，从而实现对系统的精确控制。
在风力发电变桨距系统中，自抗扰控制技术可以通过实时观测风速、风向等外界因素对机组的影响，调整桨叶的安装角度，使机组输出功率稳定在设定值附近。
四、参数整定方法研究参数整定是自抗扰控制技术中的重要环节，它决定了系统控制器的性能和稳定性。
针对风力发电变桨距自抗扰控制系统，本文提出了一种基于遗传算法的参数整定方法。
该方法通过遗传算法的优化过程，对自抗扰控制器的参数进行寻优，从而得到最优的控制器参数组合。
这种方法可以有效地提高系统的稳定性和响应速度，同时降低系统的超调量。
五、实验验证与分析为了验证本文提出的自抗扰控制技术及其参数整定方法的可行性和有效性，我们进行了大量的实验验证和分析。
实验结果表明，采用自抗扰控制技术的风力发电机组在变桨距系统中表现出良好的稳定性和响应速度。
同时，采用基于遗传算法的参数整定方法能够有效地优化控制器的参数组合，进一步提高系统的性能。
与传统的PID控制方法相比，自抗扰控制技术及其参数整定方法在风力发电变桨距系统中具有明显的优势。
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摘要 以大型水平轴式风电机组电动变桨距系统为研究对象, 对其因离心力引起的变桨距 载荷、气动力引起的变桨距载荷、重力引起的变桨距载荷等进行深入研究, 建立了变桨距载荷计 算数学模型. 以某 1.2 MW 风电机组为典型算例, 对前述变桨距载荷进行了独立和综合的计算与 特性分析. 结果表明, 在叶轮转速、来流风速和节距角一定时, 叶轮旋转一周过程中变桨距载荷 波动呈相似余弦曲线变化, 在不同节距角时波动幅值差异较大. 文中提出的风电机组变桨距载荷 计算思路与方法具有一定普适性, 可为独立变桨距系统深入分析和研究提供理论基础.
桨距载荷 dTC. 为了获得 dTC 的数学表达式, 将 dP 在 平面 O2B1BA 内分解为 dK 和 dF 两个分力, 并进一步 将 dK 在与 yOz 平行的平面内分解为与变桨距轴线 z
平行的分力 dV 和与变桨距轴线垂直的分力 dW. dF 与
变桨距轴线 z 的距离为线段 AM 的长度值, dW 与变
设电机输出转矩为 Ta, 传递至内齿圈 z6 上的转 矩为 To, 叶片上产生的变桨距载荷(阻力矩)为 Tl, 各 传递齿轮的齿数分别为 z1, z2, …, z6, 则有(1)和(2)式 成立,
To = jηcTa ,
(1)
式 中 j = (z2 / z1) ⋅ (z4 / z3 ) ⋅ (z6 / z5 ) 为 减 速 比 ; ηc= η21 ⋅ η43 ⋅η65 为机构传递效率.
AB = CB cosϕ ,
(10)
→
G
式中ϕ 为 LB 与轴 X 之间的夹角.
dP
=
ω2
CB cosϕ sinψ
dm
= ω2
r cosγ − LB sinν cosψ
dm,
(11)
dF = dP sinψ ,
(12)
dK = dP cosψ ,
(13)
780
dW = dK sin γ = dP cosψ sin γ
图 1 变桨距系统结构模型
图 2 离心力引起的变桨距载荷计算模型 779
戴巨川等: 大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析
与叶素平面交线为 X 轴, 取面 yO1z′ 与叶素平面交线 为 Y 轴, X 轴、Y 轴方向如图 2 所示.
叶素上点 B 受到的离心力 dPB 可表示为
dPB = ω 2r′′dmB ,
中, 多集中于对风电机组变桨距系统控制方法研究, 鲜见对大型风电机组变桨距载荷计算方法与特性的 系统研究与分析报道. 在国际著名的风电机组仿真 软件 GH Bladed 中, 利用转移函数来近似模拟变桨距 执行机构特性, 考虑了空气动力桨叶力矩、轴摩擦等 的影响[5]; Selvam K 等人[6,7]在独立变桨距研究中, 忽 略变桨距执行机构动力学特性, 建立了叶片—塔架 动力学方程; 林勇刚、郭洪澈等人[8~10]进行变桨距系 统结构设计与分析, 采用近似计算公式, 分析了离心 力引起的变桨距载荷. 论文以电动变桨距系统为研 究对象, 对大型风电机组变桨距过程中离心力引起 的变桨距载荷、气动力引起的变桨距载荷、重力引起 的变桨距载荷等进行深入研究, 建立了变桨距载荷 计算模型, 对各种载荷特性进行了独立和综合的计 算与特性分析, 为独立变桨距系统的设计、分析提供 了良好的理论基础和准备.
= ω2 (r cosγ − LB sinν )dm sin γ ,
(14)
AM = EAcosγ .
(15)
(15)式中 EA 又可表示为
EA = EC + CA = EC + CB sinϕ,
(16)
式中 EC = tan γ LC = tan γ CB tanν .
将(16)式代入(15)式, 有
作用在叶片上的升力 dL 和阻力 dD 可写为
dL = ρClV12cdr / 2,
(21)
dD = ρCdV12cdr / 2,
(22)
式中 C1 为升力系数, Cd 为阻力系数, ρ 为空气密度, 单位为 kg/m3, c 为半径 r 处叶片弦长, 单位为 m; dr
为叶素厚度, 单位为 m.
升力 dL 和阻力 dD 的合力用 dR 表示为
G GG
dR = dL + dD,
(23)
dR
=
1 2
ρV12 c
Cl2 + Cd2 dr.
(24)
中国科学: 技术科学 2010 年 第 40 卷 第 7 期
图 3 气动力引起的变桨距载荷计算模型
合力 dR 可以分解为轴向力 dN 和切向力 dQ, 其
表达式为
dN
=
1 2
ρcV12 (Cl
cosφ
+ Cd
sin φ )dr,
(25)
dQ
=
1 2
ρ cV12
(Cl
sin
φ
−
Cd
cos φ )dr.
(26)
在利用(25)和(26)式计算过程中, 需要确定叶素
上速度诱导因子、风速、叶轮转速和来流攻角等信息.
dTC 的正负规定如下, 按右手螺旋法则, 力矩矢 沿 z 轴负方向取正, 反之取负, 可由ϕ 判断, 如下
⎧⎪⎪⎨⎪19080≤0D Dϕ≤≤ϕ<ϕ9<0<1D82, 07dD0T,DC,d→TdCTC"→+→"",−"−",",
(19)
⎪⎩270D ≤ ϕ < 360D , dTC → "+ ".
中国科学: 技术科学 2010 年 第 40 卷 第 7 期
1 独立变桨距传动系统
图 1 所示为一种电动独立变桨距传动系统结构 模型, 当变桨距控制器发出变桨距控制指令后, 驱动 电机输出转矩,经过传动轴和减速机构, 最后经主动 齿轮传递至桨叶轮毂内齿圈上, 从而带动回转支承 的内环与叶片一起旋转, 实现了改变桨叶节距角的 目的, 桨叶节距角的变化值由位置传感器进行反馈.
关键词 变桨距载荷 风电机组 独立变桨距 变桨轴线
在当前大型风电机组设计中, 桨叶节距角同步 调整的统一变桨距技术(策略)已被普遍采用[1,2]. 近 年来, 通过单独控制每支叶片以缩减风电机组叶片 载荷波动的独立变桨距技术(策略)也引起了众多研 究者的关注[3~10]. 然而, 无论是采用统一变桨距策略 还是独立变桨距策略, 每支叶片采用独立的变桨距 驱动机构已成为主要方式之一. 在变桨距过程中, 变 桨距载荷随节距角、旋转位置角的变化不可避免会影 响其平稳性. 在采用统一变桨距策略时, 这种波动甚 至会造成不同叶片间的不同步现象; 对独立变桨距 策略来说, 风电机组变桨距过程更加频繁, 变桨距载 荷的时变性给变桨距过程的平稳性和有效性造成的 影响更为显著, 也增加了变桨距系统动力特性分析 的难度. 因而, 掌握变桨距过程中的载荷特性, 是理 解整个变桨距系统内部耦合机理, 优化变桨距系统 结构、控制策略的基础. 在现有变桨距系统研究文献
中国科学: 技术科学
论文
2010 年 第 40 卷 第 7 期: 778 ~ 785
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析
戴巨川①②*, 胡燕平①, 刘德顺①②, 龙辛③
① 湖南科技大学机电工程学院, 湘潭 411201; ② 中南大学机电工程学院, 长沙 410083; ③ 湘电风能有限公司, 湘潭 411000 * E-mail: daijuchuan@
Tl =TC +TZ +TG .
(3)
2 变桨距载荷计算模型
2.1 离心力引起的变桨距载荷计算模型
取叶片上一段长度为 dr, 与叶片变桨距轴线 z 垂 直的叶素为研究对象, 建立离心力引起的变桨距载 荷计算模型如图 2 所示. 图中点 B 位于叶素的质心处, 轴 y 为风电机组叶轮转轴, 叶片以角速度ω 绕其旋转. 面 xOz′′ 与叶轮转轴 y 垂直, 点 O 为变桨距轴线 z 与 y 轴的交点; 面 x′O1z′ 与叶轮转轴 y 垂直, 交于O1点,且 变桨距轴线 z 与当前截取叶素的交点 L 在轴 z′ 上; 面 B1O2 A 与叶轮转轴 y 垂直,与轴 y 交于点 O2; 叶素上 点 B 在 B1O2 A 面 内 , 其 在 面 xOy 内 的 投 影 为 点 B1 . 面 x′′Cy′ 过叶素上点 B 与轴 z′ 垂直, 与轴 z′ 交于点 C, 与变桨距轴线 z 交于点 E , 过点 B 作 y′ 轴的垂线, 垂 足为 A, 过点 A 作变桨距轴线 z 的垂线, 垂足为M. 图 中 xyz′′ 是一直角坐标系, 在该坐标系 yOz′′ 面内, 变 桨距轴线 z 与轴 z′′ 的夹角γ 即是风电机组叶片锥角. 图中 r 为当前叶素到叶根距离, r′′ 为叶素上点 B 到转 轴 y 的距离, r′ 为 r′′ 在面 yO1z′ 上的投影, ψ 为 r′ 与 r′′ 在空间的夹角, ϕ 为 BC 与轴 x′′ 的夹角, BC 与 BL 的 夹角为ν. 根据图中几何关系, BL 与轴 X 的夹角也用 ϕ 表示, z与 z′ 的夹角, AM与 AE 的夹角均用γ 表示. 坐标系 XYz 的 X 轴和 Y 轴在叶素面内, 且取面 x′O1z′
引用格式: Dai J C, Hu Y P, Liu D S, et al. Calculation and characteristics analysis of blade pitch loads for large scale wind turbines. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 1356−1363, doi: 10.1007/s11431-010-0058-8