Wind Turbine Control Algorithms (DOWEC)

在研究和开发海上风力发电机组的控制算法时，重点在于最大限度地提高能源产量，同时降低风力涡轮机的疲劳负载。DOWEC（Design of Wind Turbine for Electricity Production）是一个由丹麦主导的项目，旨在设计一款6MW级别的海上风力发电机。该项目中关于控制算法设计的报告，对于从事风电机组控制系统软件开发的专业人员来说，是一份宝贵的参考资料。 控制算法的核心目标是通过理论分析和工业需求，建立一个模块化的控制结构，以优化风力涡轮机的性能，包括提高发电量和减少负载。在这个项目中，主要关注的是变桨变速概念，即通过主动变桨控制来调节风力涡轮机的叶片角度，以及利用变速来改变风力涡轮机的运行速度。这些控制特性通过增加额外的控制功能和操作来实现。 控制结构的设计和实施，相较于传统的PD（比例-微分）反馈控制，能够显著提高风力涡轮机的整体性能。PD反馈控制是以转子速度为核心的简单而稳健的控制方式，但通过加入风速前馈控制和围绕额定工作条件的电气扭矩控制，可以进一步扩展其功能。 在优化方面，通过使用气动代码进行的独立比较显示，DOWEC涡轮机的控制结构带来了显著的改进，包括塔身前后方向的弯曲力矩减少了40%，塔底部前后方向的弯曲力矩疲劳减少了50%，叶片变桨速率的变化标准差减少了0.65度每秒，以及倾覆力矩减少了10%。此外，还实现了发电量的显著增加，其中发电量在额定值以上的99%的平均功率变化减少了12%。 在功率控制方面，除了传统的转子速度反馈控制外，还开发了风速前馈控制（变桨控制）和围绕额定条件的电气扭矩控制，以提供更为复杂的控制策略。通过控制变桨速率和电气扭矩动作，独立结构将多变量的子系统进行了划分，并通过带通滤波来控制变桨速率和电气扭矩。这些控制策略的集合构成了一个复合结构，使风力发电系统能够根据不同的环境条件进行调节。 电扭矩控制已经实现了前后方向塔身阻尼的显著效果。在DOWEC项目中，已经取得了一些积极的成果。例如，电扭矩控制实现了前后方向塔身阻尼的显著效果，有效地抑制了由风力波动引起的振动，从而保护了风力涡轮机结构的完整性。 此外，项目报告中提到，通过理论分析和工业需求建立的模块化控制结构，能够更加灵活和有效地应对风力发电中出现的各种状况。在具体应用中，这一结构能够根据不同的风速和环境条件自动调节风力涡轮机的工作状态，从而达到最大限度地提高发电效率和降低设备疲劳的目的。 总而言之，DOWEC项目的风力涡轮机控制算法研究，为风力发电领域提供了先进的控制策略和技术，这些技术不仅提高了风力涡轮机的运行效率和安全性，而且在实际工程应用中具有很高的参考价值和指导意义。对于风电机组控制系统软件开发人员而言，这些内容不仅增加了对海上风力发电技术的深入理解，而且为未来的研发和优化提供了重要的理论基础和技术路线。