一种大型水平轴风力机控制器的设计方法
【专利摘要】本发明涉及风力机【技术领域】，尤其涉及一种大型水平轴风力机控制器的设计方法，包括PID控制器设计和动态入流修正，所述动态入流修正为基于ECN微分方程尾流模型的动态入流修正。与现有技术相比，本发明在控制器的设计中加入对动态入流的考虑，能够更好的提高风力机发电系统的各项性能，延长风力机工作寿命。
【专利说明】-种大型水平轴风力机控制器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力机【技术领域】，尤其涉及一种大型水平轴风力机控制器的设计方 法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业与现代都市生活的飞速发展，人类对能源的需求大幅度增加。各国 政府也意识到能源短缺和环境恶化已成为制约全球经济发展的重要瓶颈，所W大力提倡可 再生能源开发及应用。风能作为一种分布广泛的清洁能源，随着商业化程度，市场竞争力与 技术水平的不断提高，W风能为主要利用形式的风力发电已经成为当今世界最主要的可再 生能源技术之一。风力发电不仅在能源安全和能源供应的多元化方面扮演着重要作用，也 在经济增长、防治大气污染和控制温室气体排放中扮演了重要作用。
[0003] 叶素-动量理论是基于平衡尾流巧quilibrium Wake)假设，即认为奖盘上的诱导 速度分布是均匀的且叶片诱导速度场随叶片载荷变化会立刻作用于尾流，该样对每一个时 间步长，计算得到的诱导速度因子是瞬态解，因而是一个准稳态模型。但事实上风力机尾润 诱导的速度是不均匀的，即使来流是均匀定常流，流经风轮叶片的气流仍然是不均匀的非 定常流，且风力机运行在速度大小和方向是随机变化的自然风下，一方面，风从上游远处到 风轮平面W及从风轮平面到下游远处都需要一定时间，在该段时间内，风速又会发生变化； 另一方面，当作用在叶片上的载荷变化时，会影响风力机尾流中的縱润状态，而该种变化也 需要有一定的时间才能对风力机叶片上的诱导速度产生影响，因此是一个动态过程。该种 由风轮的尾流及其引起的诱导速度场必须经过一段延迟时间才能达到稳定状态的现象被 称为"动态入流值ynamic Inflow)"。研究表明，在叶片快速变奖距时，动态入流效应有时 会使叶片挥舞弯矩和风轮主轴扭矩与用准稳态模型分析的结果相差超过50%。因此在进 行载荷分析时，对动态入流效应的考虑非常重要。
[0004] 现在关于动态入流的研究指出，奖距角的变化所引发的短时间内测得的风轮载荷 响应可能会超过由平衡尾流空气动力学分析所得到的预测结果。风力发电机的控制器一般 按照其稳态输出特性进行设计。但往往可能导致风力机控制器无法更好地跟随系统的空气 动力学特性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种大型水平轴风力机控制器的设计方法，W解决现有技 术存在的问题。
[0006] 为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种大型水平轴风力机控制器的设 计方法，包括PID控制器设计和动态入流修正， 所述非线性控制器设计包括W下步骤： S11建立一个风力机传动系统数学模型，所述模型为单自由度：
【权利要求】
1. 一种大型水平轴风力机控制器的设计方法，其特征在于，包括PID控制器设计和动 态入流修正， 所述非线性控制器设计包括以下步骤： S11建立一个风力机传动系统数学模型，所述模型为单自由度：
其中TAot。、L分别为气动转矩与电机转矩，JtotOT、J&n分别是风轮和电机的转动惯量， 上q是传动链的等效传动惯量，是齿轮箱传动比，Q。是风轮的额定转速，AQQ 为当前转速与额定转速的差值，Ab为转速差值对时间的导数； S12在额定功率区，电磁转矩可表示为：
风轮的气动转矩用桨距角9与风轮转速《的函数来表示，在功率额定区风轮要求维 持在额定转速，由此可得：
S15通过以上式子可得，一个理想的风力机桨距控制系统可建立一个有阻尼系统，由此 可得其固有频率和阻尼比系数：
所述动态入流修正为基于ECN微分方程尾流模型的动态入流修正。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述ECN微分方程尾流模型由特定的 圆环区域中一阶微分方程组成，在升力系数极面的线性区域内，各圆环域的诱导行为由以 下式子产生：
其中Uin、R、c分别为圆环域所对应的轴向诱导速度、半径、弦长，Rb是叶片的半径，VWS风速，Q为转速，K是升力系数Cl随攻角的变化率； Ftip是Prandtl叶尖与叶根修正因子：
尾流适应因子fa与尾流适应速度的倒数成正比关系，并随着相对圆环域相对半径R/Rb 的增大而减小：
【文档编号】F03D7/04GK104481805SQ201410621051
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】郑黎明, 关锡恩, 曾德灿, 陈严 申请人:汕头大学