面向低风速风力机的风轮气动参数与最大功率点跟踪控制的一体化设计

摘要

低风速风能开发已逐渐成为我国未来风电发展的重要方向。然而，风况的改变及其引发的风力机尺寸大型化，加剧了低风速风力机最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)过程中的效率损失问题。沿用传统的风力机-伺服控制器参数分离设计思想，主要依靠优化和改进MPPT控制器参数，已难以更为有效地解决这一问题。 考虑到风力机本体参数对MPPT控制效果的明显影响，利用风力机本体参数与MPPT控制之间的协同效应，开展风力机本体参数与跟踪控制的一体化设计是一条值得探索的途径，应能进一步提高低风速风力机的风能捕获效率。其中，寻找对控制效果影响敏感的本体参数、将其参与到一体化设计，能够实现以较小的本体参数调整代价换取控制性能的提升，且更易满足本体设计的固有约束。 本文针对MPPT控制，研究风力机本体参数对跟踪控制效果的影响机理，并从中提取出能够显著影响MPPT性能的敏感参数，进而探索敏感本体参数与MPPT控制策略的一体化设计方法，为实现低风速风力机高效捕获风能探索一条可行的途径。本文取得的主要成果如下: (1)探索和分析了风力机本体参数对MPPT性能的影响机理，并从中提取出控制效应敏感参数。研究发现，相比风力机的结构参数，气动参数对MPPT性能的影响更为敏感、且可调范围更大。因此，开展气动参数与MPPT控制的一体化设计不仅易于达到协同目标、有效提升风能捕获效率，而且在满足风力机本体设计的固有约束和总体工程可行性方面具有十分重要的现实意义。 (2)提出考虑敏感气动参数对MPPT影响的风力机气动设计优化方法。在当前风力机气动设计的基础上，考虑敏感气动参数对MPPT的影响机理，调整已有气动设计的目标函数，构建不含具体控制器参数的风力机气动设计优化模型。这样，在延续了经典的分离设计原则的同时，可进一步提升系统的闭环性能;而且，这种一体化设计方式因为不依赖于具体控制策略，可使设计结果更具一般性。本文所提优化方法如下: A.考虑翼型几何外形对MPPT影响的翼型多攻角设计。在当前风力机翼型多攻角设计的基础上，探索翼型运行攻角分布规律及其基于来流风能比例的描述方法，据此确定目标函数中的多个设计攻角及其权重，以改进现有仅依赖工程经验的翼型多攻角设计。 B.考虑风能利用系数曲线的平缓度对MPPT影响的叶片气动优化。基于风力机闭环系统，分析风能利用系数曲线顶部平缓度对MPPT的影响规律。探索运行叶尖速比的分散分布及其基于来流风能比例的描述方法，据此提出一种考虑MPPT动态的、以多个叶尖速比处的风能利用系数的加权和为目标函数的叶片多工况气动优化方法，以改进忽略MPPT动态的、仅优化单一工况点气动性能的现有气动优化方法。 C.考虑最优叶尖速比对MPPT影响的叶片气动优化。基于传统的叶片逆设计方法，综合考虑最优叶尖速比对风力机静态气动性能和MPPT动态特性的双重影响，以风机闭环性能指标——平均风能捕获效率作为目标函数，并将原先最优叶尖速比与弦长、扭角分离优化的流程改进为联合优化。 D.综合考虑风能利用系数曲线的平缓度及其最优叶尖速比对MPPT影响的叶片气动优化。在方法B的基础上，进一步考虑最优叶尖速比的变化对MPPT动态特性的影响，以平均风能捕获效率作为目标函数，并将其转化为多个叶尖速比处风能利用系数的加权和。根据优化过程中随机生成的新风轮的运行叶尖速比分布来更新目标函数中的多个设计叶尖速比及其权重，从而更有效地实现风力机静态气动性能与MPPT动态的协调、进一步提升风力机的风能捕获量。 基于风力机商业软件Bladed的仿真研究表明:与仅控制器优化改进所获得的效率提高率（平均为1.0％左右）相比，本文提出的一体化设计方案最终可使低风速风力机的风能捕获效率提升2.0％以上，从而较为明显地缓解了低风速对现有风力发电效率的影响。关于这种新的一体化设计方案的总体工程可行性，尚有待于进一步工程分析与动态模拟实验验证。

目录

声明

摘要

英文缩写对照表

符号表

1绪论

1．1研究背景

1．2研究进展

1．2．1风力机的本体与控制器分离设计

1．2．2本体与控制器分离设计的局限性

1．2．3一体化设计提升低风速风力机风能捕获效率的潜力

1．3本文的研究工作

1．3．1问题的提出

1．3．2研究内容

1．3．3研究成果

1．3．4章节安排

2风力机本体参数对MPPT性能的影响分析及敏感参数提取

2．1风力机闭环模型

2．2影响因素的分类与提取

2．3影响程度的评估指标

2．4影响因素分析及敏感参数提取

2．4．1影响因素的量化分析方法

2．4．2影响因素的仿真分析结果

2．4．3敏感本体参数的提取

2．5小结

3考虑翼型外形对MPPT影响的翼型多攻角设计

3．1翼型多攻角设计的必要性：叶素运行攻角分散分布

3．2基于来流风能的叶素运行攻角分布的描述方法

3．3翼型多攻角设计方法

3．3．1目标函数

3．3．2设计变量和约束条件

3．3．3优化算法

3．4仿真比较与分析

3．4．1仿真基准和参数设置

3．4．2设计攻角和权重系数的选择

3．4．3优化结果及分析

3．5小结

4考虑Cp-λ曲线的平缓度对MPPT影响的叶片气动优化

4．1 Cp-λ曲线的平缓度对MPPT的影响

4．2基于来流风能的叶片运行叶尖速比分布的描述方法

4．3叶片多工况优化问题中目标函数的定义

4．4考虑Cp-λ曲线平缓度对MPPT影响的叶片多工况气动优化

4．4．1基准风力机与仿真参数

4．4．2目标函数的确定

4．4．3设计变量和约束条件

4．4．4优化算法及优化流程

4．5仿真比较与分析

4．5．1单工况设计算例

4．5．2优化叶片的气动外形

4．5．3优化叶片的闭环性能

4．5．4多工况叶片与初始叶片的比较

4．5．5多工况叶片与单工况叶片的比较

4．6小结

5考虑Cp-λ曲线的λopt对MPPT影响的叶片气动优化

5．1最优叶尖速比对风力机静、动态性能的影响

5．1．2λopt对MPPT动态过程的影响

5．3．3λopt通过影响Cp,max和MPPT动态过程而影响风能捕获效率

5．2考虑λopt对MPPT影响的联合气动优化方法

5．2．1传统分离逆设计和联合优化的结构比较

5．2．2联合优化流程

5．3仿真对比与分析

5．4小结

6考虑Cp-λ曲线的平缓度λopt对MPPT影响的叶片气动优化

6．1．1最优叶尖速比：影响p(Uλj)的敏感参数

6．1．2最优叶尖速比对运行叶尖速比分布的影响机理

6．2多工况目标函数：平均风能捕获效率

6．2．1多工况目标函数的解释

6．2．2多工况目标函数的更新策略

6．3考虑Cp-λ曲线平缓度及λopt对MPPT影响的叶片气动优化

6．3．1目标函数

6．3．2设计变量和约束条件

6．3．3优化算法和流程

6．4仿真对比与分析

6．4．1基准优化方法和风速

6．4．2以NREL 1．5 MW风力机为基准的仿真分析

6．4．3以NREL 5 MW风力机为基准的仿真分析

6．5基于风力机动模实验平台的实验验证

6．5．1风力机动模实验平台介绍

6．5．2以NREL 1．5 MW风力机为基准的实验结果分析

6．6小结

7总结与展望

致谢

参考文献

附录