论文摘要
海岛风力发电作为解决海岛居民电力供应的有效途径之一，已越来越受到人们的关注。然而，相对恶劣的海洋环境对风力发电系统的安全性和可靠性提出了更高的要求，无论是结构设计方面还是控制技术方面。很多已用于海岛的风力发电系统只是简单移植内陆风力发电机组的技术，不可能从根本上解决风力发电的环境适应性问题。由于海岛盐雾、腐蚀、强台风、雷电等特殊海洋环境的影响，通常在海岛所立风力发电机组往往运行时间很短就出现无法彻底解决的各种故障。本文结合所依托课题“海岛及沿岸风力发电系统高可靠运行关键技术”，以中小型独立运行风电系统为研究对象，研究其运行控制系统和结构设计的可靠性。在分析风力发电系统结构和模型的基础上，针对变速风电机组的不同运行区域提出了基本的控制策略，尤其在额定风速以下的最优化控制和额定风速以上的限速保护和功率控制方面作了较深入的研究。结合独立运行风电机组的具体控制要求，设计了智能控制器，针对控制器的各主要部分作了详细的分析。在结构可靠性方面，针对适用于海岛风能开发的独立风电机组作了特殊设计。具体而言，本文主要研究了以下几个方面的内容：第一，介绍了课题的研究背景，阐述了课题的研究意义，总结了国内外中小型风电机组的发展与应用现状，讨论了独立运行风力发电系统结构设计和控制技术的研究现状，在此基础上介绍了本文的主要研究内容。第二，系统地分析了中小型水平轴定桨距独立风电系统的结构与组成，基于独立风电系统的典型结构特点，建立了完整的数学和仿真模型。通过对机组数学模型展开分析，研究了变速定桨距风电机组的功率特性和转矩特性以及风力机的实度和偏航角对风电机组运行特性的影响。通过对风力机与发电机之间的匹配性问题进行研究，指出风力机与发电机的匹配性对于风电机组的效率和运行可靠性具有很大的影响。基于上述研究，可以较全面和系统地了解中小型水平轴定桨距独立风电系统的结构和控制原理，为文章后续研究的开展奠定了理论基础。第三，讨论了变速定桨距风电机组的基本控制结构，根据变速风电机组的不同运行状态将其工作区间分成三个区间进行研究，提出了基本的控制原理，并针对不同区间的控制策略进行了分析。对实现变速风电机组最大功率跟踪控制的几种常用算法作了比较研究，将线性二次型高斯（LQG）最优控制策略引入中小型定桨距独立风电系统的运行控制，以使随机风引起的机组疲劳载荷和功率波动最小，实现中小型变速定桨距风电系统的多参数优化控制。采用Kalman滤波器进行风速估计，避免风速测量带来的成本与可靠性问题。为弥补LQG控制器设计中因稳定裕度较小所导致的控制性能不稳定等问题，本文在中小型变速独立风电系统LQG控制器中引入回路传输恢复（LTR）技术。仿真结果验证了基于有效风速估计的LQG/LTR控制方法在满足系统控制目标的同时，可以有效地提高系统在随机干扰下的鲁棒性能和稳定性。第四，针对中小型独立风电系统的限速保护展开了研究。分析了变速定桨距风电机组的失速控制特性，研究了实现中小型风电系统大风限速保护的偏转尾翼系统，在非惯性坐标系中建立了尾翼的动力学方程。结合中小型风电系统依靠尾翼自动对风的结构特点，将电传动控制技术引入中小型风电机组的偏转尾翼系统，提出了基于自动偏转尾翼的风力发电系统限速保护与功率调节控制策略。建立了实现尾翼自动偏转的电动直线执行机构的简化数学模型，在Matlab/Simulink环境中构建了基于自动偏转尾翼的风力发电系统仿真模型，结合相应的功率控制策略对系统进行了仿真研究，从理论上验证了基于自动偏转尾翼实现中小型独立风电机组大风限速保护和功率调节的可行性和有效性。第五，实际设计了中小型独立风电机组的智能控制器，在主控制电路、电力参数测量、功率主电路、数据采集与远程监控和偏航控制器方面作了全面的研究，采用ARM处理器作为系统主控制器，基于嵌入式Linux操作系统进行软件设计，充分利用ARM处理器的强扩展性以及Linux系统的高稳定性和良好的可移植性。结合独立风电机组具体控制目标，设计了相应的软件控制流程。第六，在海岛独立运行风电机组结构可靠性方面，设计了少见的适合低风速应用的四叶片风轮结构和叠片式高疲劳强度轮毂，叶片采用失速翼型。设计了低起动力矩和高过载能力的直驱永磁同步发电机，提高了发电机的效率和可靠性。针对海岛风电机组较脆弱的转向轴承设计了高强度非金属转向轴承。设计了轻量化高效率全动式电传动偏转尾翼结构，确保了极端环境下的风电机组避灾保护功能。将整个风电系统应用于实际的海岛环境，经过长期的运行状态监控，对采集的相关数据进行了统计和分析，测试了控制系统的性能，验证了该机组样机的可靠性。
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