大型风机异步变桨技术的研究

风机工作中，由于高度方向的风切变、对风误差和塔影效应等因素造成桨叶旋转过程中气动不平衡，由此产生桨叶振动和扭矩波动。振动可能对风机的转速工作点和最大风能俘获区间产生影响，降低了机组发电量；扭矩的波动可能导致其输出功率的波动，对发电质量和风机的机械寿命产生不利影响。.变桨风机已是当前的主流机型，同步变桨技术较成熟，已商业化应用，其三个桨距角按照同一目标调节。异步变桨技术中，三个桨叶按照各自不同的目标桨距角调节，可以减弱气动不平衡的影响。异步变桨技术的研究在国外也尚处于起步阶段，是变桨技术发展的方向。计划研究内容如下：.1）异步变桨的理论研究：高度方向风切变、对风误差和塔影效应对桨叶力矩波动和电能质量影响的研究，探讨异步变桨原则和规律。.2）异步变桨相关的关键物理量的检测方法：特定振动信号的检测、低速轴和高速轴扭矩的检测。.3）异步变桨策略与风力机组各个运行阶段控制目标有机结合的研究。

本项目首先对造成风机扭矩波动的因素进行了分析，建立了风剪切效应、塔影效应、湍流效应下的风速模型；对基于动量－叶素理论的风机气动建模方法进行了改进，考虑风轮的旋转尾流，引入风轮的轴向诱导因子和周向诱导因子，对叶尖损失和轮毂损失进行修正，运用迭代法求解诱导因子，同时还对翼型中截面个数进行优化；基于风力机坐标系计算出风机在各种气动效应下所受气动载荷，将其与权威软件相比较，证明了计算的准确性；推导出风剪切、湍流和塔影效应对风轮气动载荷的影响规律，为异步变桨控制策略研究提供理论支持。提出了一种基于电功率的传动链扭矩间接估算方法，即根据发电机转速、风轮转速以及发电机的定子电流电压间接计算传动链扭矩和风轮转矩，为风机异步变桨多输入多输出控制系统的建立打下基础。.本项目在异步变桨控制策略研究方面首先建立了异步变桨的大型风力发电机组的线性数学模型，利用Coleman变换将风机的线性时变转换为固定轮毂坐标系上的线性定常系统；通过桨叶载荷分析，推导出桨叶上的气动转矩是引起风轮转矩波动的主要来源；分析了影响风轮气动弹性效应的因素；提出基于摆振力矩反馈的异步变桨控制策略，即通过采用基于方位角的多段动态权系数分配和单神经元自适应PID实现异步变桨；比较发现这两种基于摆振力矩的异步变桨控制策略各有优劣，基于单神经元自适应PID的异步变桨控制策略对桨叶摆振力矩波动的控制效果更好。为了兼顾风轮转矩波动控制、俯仰力矩和偏航力矩控制，提出了一种基于摆振力矩和挥舞力矩反馈控制的异步变桨控制策略，利用摆振权系数和挥舞权系数得到桨叶的桨距角。最后以永磁直驱的三桨叶的风电机组为研究对象，分别在风剪切、塔影效应、风剪切和塔影效同时影响下的湍流风速和阶跃风速这两种风况下，比较了基于摆振力矩反馈的异步变桨控制、基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制、基于摆振力矩和挥舞力矩反馈的异步变桨控制的性能，发现三种控制策略各有优势，其中基于摆振力矩和挥舞力矩反馈的异步变桨控制综合了基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制和基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制的优点，对桨叶的摆振力矩和挥舞力矩、风轮的俯仰力矩和偏航力矩、风轮转矩、传动轴扭矩、发电机扭矩、风电机组的电功率输出的波动有明显的控制效果，有效降低了桨叶、风轮主轴，传动链、变桨轴承、轮毂、偏航轴承和塔架的疲劳载荷，可提高设备可靠性和延长设备使用寿命，降低运维成本。