陳義男Chiang, Mao-Hsiung;Chen, Yih-Nan臺灣大學:工程科學及海洋工程學研究所劉明翰Liu, Ming-HanMing-HanLiu2010-07-142018-06-282010-07-142018-06-282008U0001-2407200821464800http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/188942本研究為國科會 ''離岸型風力發電機葉片設計之研究'' 整合型計劃下之子計畫 ''風力發電機機電控制之研究''，旨在發展風力發電機機電控制系統模擬及分析，針對風力發電機葉片機電系統建立詳細之非線性數學模型，包含：葉片空氣動力、液壓變螺距控制(Pitch control)系統、行星齒輪增速系統、變速型發電機系統以及轉向(Yaw)系統等，利用MATLAB/SIMULINK軟體進行風力發電機葉片之機電控制系統之非線性動態模擬(Dynamic simulation)分析，實現葉片變螺距控制、變轉速控制、功率控制以及機艙之轉向控制(Yaw control)，將結合國科會''離岸型風力發電機葉片設計分析''整合型計劃之研究團隊，所設計葉片翼型之空氣動力特性分析結果為基礎進行全風力發電系統整合模擬，藉由模擬實現風力發電系統運轉於低於額定風速下藉由變轉速控制，不同風速下以達成追蹤最大功率，運轉於高於額定風速下藉由液壓變螺距控制，使發電量維持額定功率輸出，實現變速型風力發電系統之特色。 並針對液壓變螺距控制系統進行設計及分析，將發展創新之變轉速泵控液壓系統驅動變螺距系統，並結合現代控制理論-具自調式模糊滑動補償之適應性模糊控制器，將推導詳細非線性模型，並模擬以實現變螺距控制系統，作為後續發展實驗研究之基礎。 本文同時建構風力發電機全機組之動態數學模擬程式及動態模擬分析程式，可做為未來進行風力發電機系統設計時之分析工具，可協助得到最佳化之系統設計。The study is one of the subprojects under the project, The Blade Design and Analysis of Offshore Wind Turbines. The mechatronic control systems of the wind blades of wind turbines are investigated. We have developed the simulation and analysis of Mechatronic Control Systems for Wind Turbines”, the nonlinear models of the mechatronic control of wind blades of wind turbine systems, including aerodynamic of blade, hydraulic pitch control system, speed enlarger of planet gear generator and yaw system...etc, are derived in detail and solved by MATLAB/SIMULINK for realizing nonlinear dynamic simulation to implement the pitch control ,the variable speed control, the power control as well as the yaw control by means of combination of the results of the blades that is designed according to aerodynamics of the project “ The Blade Design and Analysis of Offshore Wind Turbines ”. The variable speed wind turbine systems is simulated. It can track maximum wind energy under rated wind speed by variable speed control and change pitch to adjust power above rated wind speed by pitch control.he novel mechanism of pitch control and a novel hydraulic pump-controlled servo systems driven with variable rotational speed driving system are designed and established. For that, a novel control strategy, adaptive fuzzy controller with self-tuning fuzzy sliding-mode compensation (AFC-STFSMC), is developed. The nonlinear models of the hydraulic pitch control system are derived in detail for realizing nonlinear dynamic simulation and regarded as the basis of the development in the future.口試委員審定書 II謝 III文摘要 III文摘要 IV錄 V目錄 VII目錄 X號表 XI一章 緒論 1.1 前言 1.2 文獻回顧 1.2.1 風力發電機組系統回顧 2.2.2 控制理論回顧 3.2.3 高響應變轉速泵控液壓系統回顧 4.3 研究動機及本文架構 5.3.1 研究動機 5.3.2 本文架構 5二章 風力發電系統架構 7.1 風力發電系統運作原理 7.2 風力發電機種類 9.3 風力發電系統控制 12三章 風力發電系統之非線性動態數學模型 15.1 風機葉片模型 15.2 變速箱動態數學模型[42][43] 17.3 創新液壓變螺距系統 19.3.1 變轉速泵控液壓伺服系統數學模型[40][44] 20.3.2 創新液壓變螺距機構 22.4 發電機系統[45][46][19] 26.4.1 雙饋式感應發電機數學動態模型 27.4.2 向量勵磁控制 32.5 轉向系統 34.5.1 轉向機構 35.5.2 轉向系統動態數學模型建立[44] 35四章 風力發電機控制系統與控制器設計 39.1 風力發電機機電控制系統 39.1.1 轉向控制系統 39.1.2 雙饋式感應發電機之變轉速控制系統 40.1.3 變螺距液壓控制系統架構 41.2 雙饋式感應發電機變轉速控制及轉向系統控制 42.3 變螺距液壓控制系統控制器設計 43.3.1 模糊控制理論 44.3.2 滑動模式控制理論 46.3.3 模糊滑動控制理論 47.3.4 具自調式模糊滑動補償之適應性模糊控制器 50.4 風力發電系統運轉控制策略 54五章 模擬結果分析與討論 59.1 雙饋式感應發電機(DFIG)雙閉迴路控制 59.1.1 定子實功率及虛功率解耦控制 59.1.2 發電機力矩控制 62.2 轉向控制 64.3 風力發電機變轉速控制 66.3.1 追蹤特定轉速曲線控制 67.3.2 定轉速控制 69.4 變螺距控制 71.4.1 變螺距系統無擾動之螺距角軌跡-定位控制模擬 72.4.2 變螺距系統於擾動力矩下之軌跡-定位控制模擬 73.4.3 變螺距系統於干擾力矩之正弦波軌跡控制 75.5 低於額定風速 78.5.1 風能係數最大值Cp_max恆定區 78.5.2 轉速恆定區 83.5.3 低於額定風速下整合控制 88.6 高於額定風速 93.7 全系統整合控制 101.7.1 以自行設計之翼型之風能係數數據模擬 101.7.2 以文獻[47]翼型之風能係數模擬 108.7.3 兩種翼型之風能係數應用於風力發電系統之差異討論 114六章 結論及建議 117EFERENCE 118件一 122目錄 5 2 - 1 風力發電機系統基本組成元件架構圖 8 2 - 2 (A)水平式、(B)垂直式各式各樣風力機 9 2 - 3 定速型與變速型功率輸出比較[1]。 10 2 - 5 直驅式搭配多極同步發電機架構圖 13 3 - 1翼型之風能係數 關係 16 3 - 2 風力發電機變速箱系統架構 18 3 - 3變轉速泵控液壓系統架構圖 20 3 - 5偶數支差動缸組合等效對稱缸架構示意圖 22 3 - 6 液壓變螺距機構動作於葉片示意圖 23 3 - 7 液壓變螺距機構細部架構圖 23 3 - 8 雙饋式感應發電機系統及控制架構 26 3 - 9 三相(A,B,C)時變量轉為二相(D,Q)同步旋轉座標示意圖 27 3 - 10 雙饋式感應發電機電機系統於D/Q軸座標系下的等效電路圖 28 3 - 11雙饋式感應發電機運轉於超同步及欠同步下功率傳輸示意圖 32 3 - 12 雙饋式感應發電機系統雙閉迴路控制系統架構圖 33 3 - 13轉向系統架構圖 35 3 - 14變轉速泵控液壓馬達架構圖 36 4 - 1轉向系統閉迴路控制架構 40 4 - 2 變轉速閉迴路控制架構 41 4 - 3 變螺距液壓泵控架構圖 41 4 - 4 傳統模糊控制系統架構 45 4 - 5 滑動模式於系統初始狀態迫近至滑動平面 47 4 - 6 模糊滑動平面示意圖 48 4 - 7 (A)輸入模糊滑動平面S的歸屬函數(B)輸出模糊變數 的歸屬函數 49 4 - 8傳統滑動模糊控制系統架構 50 4 – 9 AFC-STFSMC 控制理論及系統架構圖 54 4 - 10運轉於不同風速下之控制策略 56 5 - 1 (A)~(G)：輸入不穩定轉速於雙饋式感應發電定子時功率及虛功率解耦合控制模擬結果，(A)發電機轉速，(B)定子實功率目標值及模擬值，(C)定子實功率追蹤誤差，(D)定子虛功率目標值及模擬值，(E)定子虛功率追蹤誤差，(F) VQR轉子調節電壓Q軸分量，(G)VDR轉子調節電壓D軸分量.........................................................................................................................60 5 - 2 (A)~(E)：輸入擾動不平穩的轉速於雙饋式感應發電機之力矩控制模擬結果，(A)發電機轉速，(B)發電機力矩目標值及模擬值，(C)發電機力矩追蹤誤差，(D) VQR轉子調節電壓Q軸分量，(E)VDR轉子調節電壓D軸分量..........................................................................................................................62 5 - 3 (A) ~ (F)：轉向系統以PID控制器控制轉角，加入外部干擾力矩± 5000NM頻率為0.02HZ之弦波模擬結果，(A)風速，(B)空氣動力力矩，(C)風力機轉速目標值及模擬值，(D) 風力機轉速追蹤誤差，(E)電磁力矩目標值及模擬值，(F) 電磁力矩追蹤誤差 65 5 - 4 (A) ~ (F)：擾動風速下風力發電機變轉速控制，追蹤特定轉速曲線控制模擬結果，(A)風速，(B)空氣動力力矩，(C)風力機轉速目標值及模擬值，(D) 風力機轉速追蹤誤差，(E)電磁力矩目標值及模擬值，(F) 電磁力矩追蹤誤差 67 5 - 5 (A) ~ (F)：風力發電機保持特定轉速控制之模擬結果，(A)風速，(B)空氣動力力矩，(C)風力機轉速目標值及模擬值，(D) 風力機轉速追蹤誤差，(E)電磁力矩目標值及模擬值，(F) 電磁力矩追蹤誤差 69 5 - 6 (A) ~ (E)：變螺距系統無擾動之軌跡-定位控制於行程由0 ~ 22.5度，15秒之模擬結果，(A) 葉片螺距角目標值及模擬值，(B) 葉片螺距角角誤差，(C) 控制訊號，(D) 伺服馬達轉速，(E)液壓缸長度變化 72 5 - 7 (A) ~ (F)：變螺距系統外加擾動力矩之定位控制於軌跡由0 ~ 22.5度，時間15秒之模擬結果，(A)外部干擾力矩，(B)葉片螺距角目標值及模擬值，(C)葉片螺距角誤差，(D)控制訊號，(E)伺服馬達轉速，(F)液壓缸長度變化 74 5 - 8 (A) ~ (F)：液壓變螺距系統之軌跡控制外加干擾力矩之模擬結果，(A)外部干擾力矩，(B)葉片螺距角目標值及模擬值，(C)葉片螺距角誤差，(D)控制訊號，(E)伺服馬達轉速，(F)液壓缸長度變化 76 5 - 9運轉於不同風速下之控制策略 78 5 - 10 (A) ~ (M)：風力發電系統運轉於低於額定風速時之CP_MAX恆定區之模擬結果，(A)風速，(B)翼尖速比( )，(C)風能係數CP，(D)空氣動力力矩，(E)葉片旋角，(F)風力機轉速目標值及模擬值，(G) 風力機轉速誤差值，(H)發電機轉速，(I)發電機力矩目標值及模擬值，(J)發電機力矩誤差，(K)發電機定子功率目標值及模擬值，(L)發電機定子功率誤差，(M)輸出功率 80 5 - 11運轉於不同風速下之控制策略 83 5 - 12 (A) ~ (M)：風力發電系統運轉於額定風速以下之轉速恆定區之模擬結果，(A)風速，(B)翼尖速比( )，(C)風能係數CP，(D)空氣動力力矩，(E)葉片旋角，(F)風力機轉速目標值及模擬值，(G) 風力機轉速誤差值，(H)發電機轉速，(I)發電機力矩目標值及模擬值，(J)發電機力矩誤差，(K)發電機定子功率目標值及模擬值，(L)發電機定子功率誤差，(M)輸出功率 85 5 - 13運轉於不同風速下之控制策略 88 5 - 14 (A) ~ (M)：風力發電系統運轉於額定風速以下之CP_MAX恆定區及轉速恆定區混合之模擬結果，(A)風速，(B)翼尖速比( )，(C)風能係數CP，(D)空氣動力力矩，(E)葉片旋角，(F)風力機轉速目標值及模擬值，(G) 風力機轉速誤差值，(H)發電機轉速，(I)發電機力矩目標值及模擬值，(J)發電機力矩誤差，(K)發電機定子功率目標值及模擬值，(L)發電機定子功率誤差，(M)輸出功率 90 5 - 15運轉於不同風速下之控制策略 93 5 - 16 (A) ~ (S)：風力發電系統運轉於額定風速以上之功率恆定區之模擬結果，(A)外部干擾力矩，(B)風速，(C)翼尖速比 ，(D)風能係數目標值與模擬值，(E)風能係數誤差，(F)空氣動力力矩，(G)風力機轉速目標值及模擬值，(H) 風力機轉速誤差，(I)發電機轉速，(J) 葉片旋角目標值及模擬值，(K)葉片旋角誤差，(L) 控制訊號，(M)伺服馬達轉速，(N)液壓缸長度變化，(O)發電機力矩目標值及模擬值，(P) 發電機力矩誤差，(Q)定子功率目標值及模擬值，(R)定子功率誤差，(S)功率輸出 95 5 - 17運轉於不同風速下之控制策略 101 5 - 18 (A)~(S)：風力發電全系統整合控制以設計之翼型CP風能係數為基礎之模擬結果，(A)外部干擾力矩，(B)風速，(C)翼尖速比 ，(D)風能係數目標值與模擬值，(E)風能係數誤差，(F)空氣動力力矩，(G)風力機轉速目標值及模擬值，(H) 風力機轉速誤差，(I)發電機轉速，(J) 葉片旋角目標值及模擬值，(K)葉片旋角誤差，(L) 控制訊號，(M)伺服馬達轉速，(N)液壓缸長度變化，(O)發電機力矩目標值及模擬值，(P) 發電機力矩誤差，(Q)定子功率目標值及模擬值，(R)定子功率誤差，(S)功率輸出 103 5 - 19 (A) ~ (R)：風力發電全系統整合控制以文獻之CP風能係數為基礎之模擬結果，(A)外部干擾力矩，(B)風速，(C)翼尖速比 ，(D)風能係數目標值與模擬值，(E)空氣動力力矩，(F)風力機轉速目標值及模擬值，(G)風力機轉速誤差，(H)發電機轉速，(I) 葉片旋角目標值及模擬值，(J)葉片旋角誤差，(K) 控制訊號，(L)伺服馬達轉速，(M)液壓缸長度變化，(N)發電機力矩目標值及模擬值，(O)發電機力矩誤差，(P)定子功率目標值及模擬值，(Q)定子功率誤差，(R)功率輸出 109 5 - 20風能係數變化比較圖 114 5 - 21空氣動力力矩變化比較圖 115 5 - 22葉片螺距變化比較圖 115 5 - 23定子實功率變化比較圖 116 5 - 24輸出功率變化比較圖 116目錄 6 2 - 2定速型與變速型發電機系統比較 11 5 - 1控制器參數 712531427 bytesapplication/pdfen-US風力發電液壓伺服機電控制系統變螺距控制功率控制轉速控制轉向控制動態模擬模糊滑動控制wind turbinehydraulic servo systemspitch controlpower controlrotational speed controlyaw controlbladedynamic simulationfuzzy sliding-mode controlthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/188942/1/ntu-97-R95525056-1.pdf