风网载荷联合作用下的大型风电机组动力学行为与控制

The dynamic performance of wind turbines is the key factor of ensuring safe, reliable and efficient operation of the system. In this project, firstly based on the analysis of fluid-solid coupling effect, electromechanical coupling effect and electro- magnetic coupling effect, the wind loads model, grid loads model and gas-mechanism- electricity-magnetism coupling system dynamic model of large scale wind turbines will be established. The coupling system dynamic model can break through the modelling limitation in single energy domain or local subsystem. Two ways including dynamic performance test and field data acquisition will be employed to improve the established models. Then, by virtue of numerical simulation and experimentation the time-frequency characteristics of wind loads (such as torque and bending moment) and grid loads (electromagnetic torque) will be studied under both the general conditions and grid fault conditions. Furthermore, the dynamic characteristics will be analyzed under the joint action of wind loads and grid loads. Finally, the system dynamic control way which control goal is to reduce vibration of the key component such as main shaft and tower will discussed under both the general conditions and grid fault conditions. The corresponding system dynamic control strategies will be proposed. Based on the above mentioned researches, the dynamic analysis and control methods will be eventually created. It is of great positive significance to ensure the safety of large scale wind turbines in wind farm and to promote the development of wind generation and relative techniques.

风电机组系统动力学性能是系统能否安全、可靠和高效运行的关键因素。本项目首先对大型风电机组进行气机（弹）耦合、机电耦合和电磁耦合机理分析，建立风载荷模型、电网载荷模型以及大型风电机组气-机-电-磁跨能域耦合系统全局动力学模型，突破以往大型风电机组动力学建模仅在单一能域或者局部子系统进行的局限性，并通过动力特性试验和现场数据采集两种途径对构建的模型进行修正。然后，借助数值仿真和试验等手段，研究常规工况和电网故障时风载（转矩、弯矩等）和网载（发电机电磁转矩）时频特性并获取风网载荷联合作用下系统动力学响应特性。最后，探讨常规工况及电网故障时以抑制关键部件（主轴、塔架等）振动为目标的大型风电机组系统动力学控制途径，提出基于现代状态控制理论的系统动力学控制策略，从而形成风网载荷联合作用下的动力学分析与控制方法。这对于保障风电场内大型风电机组安全，实现稳定运行，促进风电技术发展具有积极意义。

本项目以大型风电机组为对象，通过理论分析、数值仿真和现场SCADA数据分析相结合等手段展开相关工作。项目研究了基于SCADA系统的风电机组能量获取与流动特性，分析了物质流、能量流和信息流在风电机组中的具体表现形式及相互关系，对机械能—电能转换与传输过程进行了探讨，构建了基于SCADA数据的风轮机械转矩计算模型；获得了多工况下转矩—转速关系表达式。基于风电场SCADA系统提取了机舱振动数据及其他运行状态参数，利用有限元仿真方法获得塔架模态频率及其相应振型；分析了风速、风轮转速、变桨距和偏航动作等对振动的影响，进行基于离差平方和法（Ward）的振动聚类分析。项目采用跨能域的风电机组气-机-电-磁系统模型作为系统分析模型，该模型包括了风轮、发电机、变流器、变桨距和控制等子系统模型；基于风电机组跨能域耦合模型进行了叶片断裂事故发生后风电机组动态特性分析, 包括叶片断裂后机械力矩与电磁力矩、能量捕获与转换、变流器直流电容电压、输入电网有功功率和无功功率等变化特性。提出一种叶片载荷与运动特性分析方法，该方法计及叶片柔性变形的影响，将整个叶片划分为若干个单元，单元之间考虑相对旋转，每个单元则视为刚体；将风电机组划分为机舱坐标系、转轴坐标系和叶片坐标系；将载荷模型融入风电机组整体模型，并对风网载荷作用下的动力特性进行了分析。以塔架质量最小、塔顶偏移最小为目标进行了塔架结构参数多目标优化设计；为了加快求解过程获得满意优化结果，利用BP人工神经网络理论构建了塔架结构参数与应力、顶端偏移和固有频率之间的非线性数学模型，并基于多目标优化算法NSGA-II进行优化求解。提出一种叶片气动外形及其运行特性设计优化方法，在满足额定功率条件下，以减小所需额定风速为目标进行优化求解，设计了风轮转矩—转速关系曲线。提出了一种海、陆两用风力发电实验平台方案，进行了结构参数设计，建立了漂浮台受力分析模型并获得了合理的结构参数，开展了部分风电机组动态特性研究工作，对比分析了模拟陆地风电机组和海上漂浮式风电机组时塔架振动特性，为进一步深入开展风电机组动态特性研究提供了基础。项目已发表高水平论文9篇，录用待刊1篇，其中SCI/EI收录7篇次，申请专利5项（已授权4项），软件著作权2项，培养硕士研究生3名。