半潜漂浮式风力发电机组仿真技术研究

摘要

海上风的强度更大且更具持续性,海上风力发电对新能源的发展具有战略意义。中国、美国、日本等国家的海上风能资源主要分布于深海区域,海上风力发电由浅海走向深海将会是必然的发展趋势。漂浮式风力发电机以其捕获深海风资源的能力而被关注,而半潜漂浮式风电机组又以其较好的结构稳定性、运行的可靠性、移动的灵活性、适合于深海区域等特点最具发展前景。因此,为开发满足运行要求的半潜漂浮式风电机组,对其进行仿真技术研究是必不可少的环节。论文从这一需求从发,对半潜漂浮式风力发电机组展开了系统详细的研究。
　　论文的主要研究内容和成果如下:
　　(1)针对半潜漂浮式风电机组所承载的两类环境载荷,即气动载荷与水动力载荷,分别进行了建模研究。并通过某MW级半潜漂浮式风电机组模型实例,仿真分析了其空气动力学性能随风速变化的特征,以及半潜漂浮式支撑平台水动力载荷受不同海况影响的特征。
　　(2)根据风电机组对不同风速区域捕风性能的要求,对半潜漂浮式风电机组进行了变转矩与变桨距控制策略研究。并通过选择不同类型的风况与海况进行仿真分析,验证了所设计控制策略的可行性。
　　(3)根据海上风电机组设计规范IEC61400-3设计典型载荷工况,对半潜漂浮式风电机组作了发电性能与载荷性能研究,得出了不同海况、风况、极端工况对风电机组发电性能及载荷性能的影响特征。并通过将典型工况下塔基载荷的仿真结果与近海定桩式风电机组仿真结果的对比,得出半潜漂浮式风电机组塔基载荷受漂浮特性影响的一般规律。
　　(4)风电机组采用传统PI变桨距控制存在的“负阻尼”现象对半潜漂浮式风电机组愈发明显,并由此引发了相对较大的发电功率与结构载荷波动。针对这一问题,提出了两种分别基于转速设定值可调的PI变桨距控制策略,和基于多目标优化的LQR控制策略。通过建立Matlab/Simulink模型进行仿真分析,并与基本变桨距控制策略仿真结果进行比较,验证了所提出两种改进控制策略的有效性。