风力机与液力变速传动装置匹配工作特性研究

通过对液力变速传动装置应用于风力发电系统运动规律的分析,得到了适应变化的风轮转速、保持恒定发电机输入转速的风轮转速与液力变矩器涡轮输出转速应保持的关系。根据传动系的功率分流原理及能量平衡方程,推导了液力变矩器泵轮输入功率占风轮功率的比例以及液力变速传动装置的总体传动效率关系式。结合风力机特性进行了液力变矩器涡轮输出工作特性的分析,综合评价了影响传动效率的主要因素。针对低转速比和高转速比两种型号的液力变矩器进行了系统的匹配计算,为液力元件的选型与设计、差动轮系及定轴轮系关键结构参数的选取提供了参考。
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前端调速式风力机组传动链建模与仿真

对前端调速式风力机传动链关键部件的工作原理进行分析,建立数学模型。分别建立风速模型、风轮空气动力学模型、传动链动力学模型、液力变矩器动态模型以及主轴转速计算模型。整合各子系统,引入神经网络控制,建立传动链整体仿真模型,进行模拟仿真。基于最大风能捕获量,综合考虑传动链结构参数,通过神经网络调节液力变矩器导叶开度,改变工作油循环流量,从而改变液力变矩器的输出转矩和转速。液力变矩器输出与风轮输出通过行星轮系综合作用于发电机前的主轴,使主轴转速稳定在设计值。     

基于导叶可调液力变矩器风电机组的设计

基于导叶可调式液力变矩器,综合考虑风轮转速、发电机功率、液力变矩器结构参数,设计出适应于变化的风轮转速,并能使发电机输入转速保持恒定的风电机组.     

转速对直叶片升力型风轮动力特性影响数值研究

采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对旋转直径3 m、高3 m和叶片弦长0.44 m的直叶片升力型风轮动力特性进行二维数值研究,分析在三种不同转速下单叶片动力特性、叶轮动力特性及叶片表面压力特性的变化规律。研究发现：随转速增加,上盘面叶片动力矩极高值先增加后减小存在最大值,下盘面动力矩极低值在逐渐减小且范围变广,证明上盘面为风轮的主要做功区域,下盘面对风轮出力贡献少甚至为负值;随转速增加,上盘面叶片表面压力差在增大,吸力面负压增加幅度较明显,压力面增加幅度较缓,证明吸力面对出力增加的贡献更大;叶轮整体出力由上盘面力矩、下盘面力矩和转速三个因素决定,只有均衡三者关系才能增大风轮整体出力。     

The effect of torque scheduling on the performance and mechanical loads of a wind turbine

The generator torque control loop of a multi-MW wind turbine consists of three operational regions, i.e. a max Cp region, a transient region around the rated rotor speed, and a power regulation region. The performance and mechanical stress on the wind turbine structure are closely related with how the torque schedule is mechanized in the transient and above-rated regions. Using a drive train model, the closed loop dynamic characteristics for different torque schedules were analyzed. It is found that the slope of the torque for the rotor speed in the transient region is the major factor which determines the performance and mechanical loading of the wind turbine. The effect of using a variable torque instead of the fixed rated torque in the above-rated region is also analyzed.     

Dual-loop self-optimizing robust control of wind power generation with Doubly-Fed Induction Generator

This paper presents a self-optimizing robust control scheme that can maximize the power generation for a variable speed wind turbine with Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) operated in Region 2. A dual-loop control structure is proposed to synergize the conversion from aerodynamic power to rotor power and the conversion from rotor power to the electrical power. The outer loop is an Extremum Seeking Control (ESC) based generator torque regulation via the electric power feedback. The ESC can search for the optimal generator torque constant to maximize the rotor power without wind measurement or accurate knowledge of power map. The inner loop is a vector-control based scheme that can both regulate the generator torque requested by the ESC and also maximize the conversion from the rotor power to grid power. An ℋ_∞ controller is synthesized for maximizing, with performance specifications defined based upon the spectrum of the rotor power obtained by the ESC. Also, the controller is designed to be robust against the variations of some generator parameters. The proposed control strategy is validated via simulation study based on the synergy of several software packages including the TurbSim and FAST developed by NREL, Simulink and SimPowerSystems.     

液压型风力发电机组的转速和转矩解耦控制

以液压型风力发电机组为研究对象,输出高质量电能为研究目标,针对机组存在的转速和转矩解耦问题展开研究。建立定量泵-变量马达液压传动系统数学模型。从液压传动系统出发,探究影响机组电能输出质量的关键因素,分析该多输入-多输出系统存在的耦合问题,并采用前馈解耦补偿控制方法解耦。分析变量马达和比例节流阀对液压系统输出转速与转矩的控制规律,得到基于高电能质量控制的转速和转矩解耦控制器。以30kVA液压型风力发电机组半物理仿真实验台为基础,针对提出的控制方法展开研究。仿真和实验结果表明：液压型风力发电机组输出的转速和转矩实现了解耦控制,有效地实现了液压传动系统的稳速控制和传输功率波动的平滑控制。研究结果为液压型风力发电机组高质量电能输出控制和电网友好性能提高奠定了基础。     

Real time simulation of nonlinear generalized predictive control for wind energy conversion system with nonlinear observer

In order to make a wind power generation truly cost-effective and reliable, an advanced control techniques must be used. In this paper, we develop a new control strategy, using nonlinear generalized predictive control (NGPC) approach, for DFIG-based wind turbine. The proposed control law is based on two points: NGPC-based torque-current control loop generating the rotor reference voltage and NGPC-based speed control loop that provides the torque reference. In order to enhance the robustness of the controller, a disturbance observer is designed to estimate the aerodynamic torque which is considered as an unknown perturbation. Finally, a real-time simulation is carried out to illustrate the performance of the proposed controller.     

基于PCC的风力机组原动机模拟

介绍了PCC控制器和电动机模拟风力机原动机的试验平台。详细地阐述了风力机的发电原理,给出了模拟风力机原动机的数学模型,包括随机风速产生模型、计算风机转矩模型和相应的电动机输出转矩模型。同时,在PCC上通过C语言编程实现了数学模型,并提出了在不同风速下风机的控制策略、叶尖速比及功率系数的计算方法,为风力机转矩的计算提供了一个简单而有效的方法。最后,给出了模拟系统的仿真曲线,对该模型的有效性进行了验证,所建立的模型能够实现风力机的模拟。     

额定风速以上永磁同步风力发电系统的自适应控制

由于受到机械负载和电气负荷限制,风力发电系统在额定风速以上时必须运行在恒功率状态,考虑到风机本身固有的非线性特性,以及大风速下外界干扰对风机系统参数的影响,设计了风力发电系统的自适应控制器.采用永磁电机转子磁场矢量控制原理,实现了发电机系统解耦控制和恒功率控制.理论分析和仿真结果表明,所设计的控制器可以保证在额定风速以上变化,系统参数不确定的情况下,仍能使永磁同步风力发电系统安全可靠运行并获取最大风能的目的.     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

Enhancement of wind turbine aerodynamic performance by a numerical optimization technique

Sectional aerodynamic design optimization was performed to enhance the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine rotor blades based on a computational fluid dynamics technique. The proposed sectional optimization framework consists of airfoil section contour modeling by the PARSEC shape function and a modified feasible direction search algorithm. To enhance the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, the objective of the design framework was set to maximize the lift-over-drag ratio for each design section. A two-dimensional Navier-Stokes flow solver coupled with a transition turbulence model was used to evaluate the aerodynamic performance during the iterative design optimization procedure. The sectional flow conditions were extracted from the flow of a three-dimensional rotor blade configuration. The design framework was applied to the National Renewable Energy Laboratory Phase VI rotor blade. The design optimization was conducted at nine spanwise sections of the rotor blade. To validate the present methodology, the aerodynamic performances of the original baseline rotor and the rotor after the design optimization were compared by using a three-dimensional Navier-Stokes flow solver. It was found that approximately 11% of torque enhancement was achieved after the aerodynamic shape design optimization.     

风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

国外液力传动发展新动向

近年来国外液力传动技术在多方面有突破性进展:新型液力变矩器在大型风力发电机上应用,显示了突出优越性;风机、泵类常用的调速型液力偶合器拼装了伸缩导管,以阀控或泵控调节输出转速,在性能不变之下使之结构紧凑、体积小、重量轻;发展了简捷新颖的结构使限矩型液力偶合器在高速运行时自动闭锁、去除转差,传递电动机的额定转速,提高了功能...     

对“大功率风电机组传动系统液力变矩器的设计研究”一文的商榷

对风电机组液力机械传动系统作了一般的分析,及对《现代制造工程》杂志2007年第6期刊载的"大功率风电机组传动系统液力变矩器的设计研究"一文中类比法设计液力变矩器、可调液力变矩器泵轮输入功率、效率性能、应用领域等问题提出不同看法,进行商榷。     

液压型风力发电机组风力机特性模拟

在不具备风场环境的情况下,针对液压型风力发电机组风力机特性模拟问题,在实际数据的基础上,建立了风力机输出特性数学模型,依据相似模拟的原理,采用转速控制的补偿方法对风力机特性进行了实验研究。将等效功率实验数据乘以转换系数之后的结果、仿真结果以及相关合作公司提供的850kW风力机的实际数据进行了对比。结果表明：系统能够在误差允许范围内精准模拟风力机的输出功率和输出转矩。     

SRG风力发电系统最大风能追踪控制研究

针对在实验室条件下实现SRG风力发电系统的最大风能追踪控制的问题,对风力机的运行特性及其模拟实现方案、开关磁阻电机的工作原理及其控制方法等方面进行了研究,并对风力发电系统中实现最大风能追踪的控制策略进行了介绍,提出了基于转速反馈的SRG发电系统最大风能追踪控制方案,同时对直流电机进行了转矩控制以实现风力机输出特性的模拟.在SRG风力发电系统平台上对风力机模拟系统进行了测试评价,并进行了变风速条件下的最大风能追踪试验.研究结果表明,直流电机能够有效模拟风力机的输出特性,控制简单,抗干扰能力强,基于转速反馈的MPPT控制方法能够在风速变化时快速调节SRG输出,准确地实现最大风能跟踪.     

大功率风电机组传动系统液力变矩器的设计研究

利用几何相似设计理论,根据风电机组传动系统要求,应用MATLAB编写计算程序,求出专用导叶可调液力变矩器循环圆各部分几何尺寸并设计其机械结构.建立液力变矩器的动态数学模型,并进行MATLAB/Simulink仿真分析,验证了液力变矩器应用在风电机组传动系统的合理性,为大功率风电机组传动系统设计提供必要的理论基础.     

变速恒频双馈风力发电机矢量控制研究

针对风力发电系统中恒速恒频控制低风能利用率的问题,对双馈异步发电机构成的变速恒频风力发电系统,采用在定子磁链定向矢量控制基础上的参数自整定模糊PI控制方法,实现了发电机转子励磁电流在风机变速时的快速跟随,使发电机网侧输出频率保持恒定。仿真结果表明,系统具有良好的动态性能。