大型风电机组独立变桨距系统动力学特性与控制

本项目以大型风电机组独立变桨距系统为对象，综合应用空气动力学、机械动力学、电机学、信息处理、控制理论与方法等多学科知识，通过现场运行数据分析、理论研究和数值仿真，深入探讨风电机组独立变桨距系统内部耦合机理，建立驱动电机-齿轮-叶片系统动力学模型，分析独立变桨距系统动态特性；针对来流风速切变方式时变性，利用实时叶根应力和一点来流风速测量信息，进行来流风速切变信息在线辨识，并根据空气动力学理论，基于动量-叶素理论修正模型预测叶片旋转过程中某一位置的载荷信息；在此基础上，提出独立变桨距节距角、电气参数协同优化控制策略，实现载荷波动最小和功率稳定两个目标，为大型风电机组独立变桨距技术提供新理论和新途径。这对于促进风力发电发展，实现风能高效安全开发具有重要意义。

本课题围绕大型风电机组变桨距系统展开动力学与控制技术研究，以叶素—动量（BEM）理论作为大型风电机组气动分析理论，采用Prandtl和Buhl等方式进行了修正，考虑动态失速对翼型气动性能的影响，提出一种基于B-L模型的动态失速半经验模型，通过联合BEM修正理论与动态失速半经验模型，得到了一种大型风电机组气动分析模型与算法。基于前述气动分析理论，建立了大型风电机组气动载荷计算模型；提出了风电机组离心力载荷和重力载荷计算模型，详细推导了气动力、离心力和重力引起的摆振、挥舞和变桨距载荷等计算方法。提出了一种风电机组能量传递主系统建模方法，该方法采用4层BP神经网络建立风轮气动特性快速计算模型，在此基础上，将风轮模型与风轮—发电机动力学耦合模型、永磁同步发电机模型、AC-DC-AC变流器电气模型和控制模型进行集成，从而构建出大型直驱式风电机组能量传递主系统模型。基于构建的集成模型，进行了风电机组动态运行特性研究。建立了包括驱动电机电磁转矩方程、机电运动方程、传动轴和三级行星轮运动方程在内的变桨距系统非线性动力学方程。变桨距机构伺服控制以感应电机转子磁场定向矢量控制为基础，采取定子电流、转速和位置反馈三闭环结构。然后，对减速器—叶片子系统以及驱动电机—减速器—叶片系统动力特性和伺服控制特性等进行了分析。通过对风电机组变桨距系统进行分析，选取功率、疲劳载荷为目标，推导了相应表达式。研究了基于统一变桨距的大型直驱式风电机组功率控制策略和基于独立变桨距的功率、载荷联合控制策略，建立了系统数值仿真模型，模型包含了前述气动、载荷、能量流和变桨距机构等模块。最后，通过建立的数值仿真模型，对大型直驱式风电机组变桨距控制动态特性进行了分析。项目发表高水平学术论文9篇次，获得授权专利2项，培养博士研究生、硕士研究生各一名；获湖南省自然科学优秀学术论文二等奖1项。