风力发电机气动载荷分析及智能独立变桨控制技术研究

摘要

风能具有不稳定的特点，由于风剪切、塔影和湍流等因素的影响，风速在风轮平面内呈不均匀分布，从而使风力机产生不平衡的气动载荷。随着风力发电机组向大型化发展，风轮半径逐渐增大，由不平衡载荷引发的风力机部件长时间振动加剧，将导致风力机严重疲劳损害。为了解决兆瓦级风电机组出现的振动、疲劳、动力稳定性等问题，减小载荷波动对风电机组的影响，必须要有效的控制和调节风力机的不平衡载荷。
　　 本文以空气动力学、变桨距控制理论为基础，针对风剪切和塔影效应影响产生的不平衡载荷问题，深入的研究了兆瓦级水平轴风力机的气动载荷和独立变桨距控制策略。使用GHBladed和MATLAB两种工具建立真实的风力机模型，采用动量-叶素理论通过MATLAB编程建立叶片载荷计算模型，得出了叶片的气动载荷分布及叶片在旋转过程中的气动载荷，并对计算结果进行分析。针对风力机挥舞载荷的不平衡性，本文设计了以叶片方位角为控制信号，基于载荷优化的独立变桨距控制策略，设计出了独立变桨控制器的控制框图，并在MATLAB中编程建立独立变桨控制器模型。
　　 通过对所建独立变桨控制器模型的仿真，得出独立变桨桨距角控制命令和独立变桨控制后的风力机气动载荷。仿真结果显示，挥舞载荷的变化幅度明显减小，并且风力机输出功率保持稳定，表明本文设计的独立变桨距控制器效果显著。