【摘 要】
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发展可再生能源是支撑我国实现30·60碳中和碳达峰目标的重大能源战略。风能是最重要的可再生能源之一,我国海上风能储量达7.5亿千瓦,但目前开发不到25%,发展潜力巨大。相较于近海海域,深远海域的风况较为平稳、风能密度大,不易受海域位置限制,是目前全球海上风电发展的主流趋势之一。浮式风电机组是目前开发深远海风能最有效的风电装备,但其常年经受随机风浪联合作用,运行工况复杂,并且漂浮式设计会使浮式风电机
【基金项目】
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国家重点研发计划“大型海上风电机组及关键部件优化设计及批量化制造安装调试与运行关键技术（2018YFB1501300）”; 重庆市技术创新与应用发展专项“海上浮式风电装备研制及应用（cstc2019jscx-mbdx X0003）”
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发展可再生能源是支撑我国实现30·60碳中和碳达峰目标的重大能源战略。风能是最重要的可再生能源之一,我国海上风能储量达7.5亿千瓦,但目前开发不到25%,发展潜力巨大。相较于近海海域,深远海域的风况较为平稳、风能密度大,不易受海域位置限制,是目前全球海上风电发展的主流趋势之一。浮式风电机组是目前开发深远海风能最有效的风电装备,但其常年经受随机风浪联合作用,运行工况复杂,并且漂浮式设计会使浮式风电机组在风浪联合作用下产生较大的纵荡和纵摇运动,加剧叶片风剪切效应,增大风电机组传动系统扭振,进而恶化发电功率平稳性,显著影响整机性能。因此,本论文针对浮式风电机组额定风速下的最大化风能捕获问题,结合浮式风电机组整机系统动力学模型,开展浮式风电机组最大功率跟踪控制研究,提高风浪联合作用下浮式风电机组发电效率,对保障浮式风电机组运行性能具有重要意义。论文以某型5MW浮式风电机组为研究对象,考虑短期随机风速估计和最大功率跟踪控制,结合浮式风电机组塔架和叶片等柔性结构和外部载荷激励,建立了浮式风电机组系统动力学模型。研究了浮式风电机组短期随机风速估计、最大功率跟踪控制系统设计及参数灵敏度分析、工况对浮式风电机组最大功率跟踪控制鲁棒性影响。研究结果对海上浮式风电机组最大功率跟踪控制系统设计具有一定的参考意义。论文主要研究内容如下:（1）浮式风电机组系统动力学模型。以某型5 MW浮式风电机组为研究对象,提出了风速观测器权值和阈值参数优化方法;考虑浮式风电机组系统最优转速跟踪和系统抖振抑制,提出了基于PID-二阶滑膜超平面的浮式风电机组最大功率跟踪控制方法;结合风电机组叶片、塔筒以及系泊等柔性结构、气动力和水动力等外部载荷激励,建立了浮式风电机组系统动力学模型。（2）浮式风电机组短期随机风速估计。基于浮式风电机组系统动力学模型,分析了不同风速观测器参数下的风速估计误差,提出了短期随机风速下浮式风电机组风速观测器权值和阈值参数优化方法;分析了同一工况下短期随机风速估计效果以及多工况下风速观测器模型的泛化性。（3）最大功率跟踪控制系统的参数灵敏度和控制性能对比分析。基于浮式风电机组系统动力学模型,分析了基于PID-二阶滑膜的最大功率跟踪控制系统参数变化对浮式风电机组的发电量、高速级转矩峰值和波动的影响;对比分析了浮式风电机组的整机发电效率和发电量、传动系统高速级和低速级转矩峰值和波动和塔基弯矩。（4）有风无浪（静水）与风浪联合工况对浮式风电机组最大功率跟踪控制系统的鲁棒性影响。在有风无浪工况下,分析了平均风速、湍流强度和空气密度变化对浮式风电机组的整机发电效率、传动系统转矩峰值和波动的影响;在风浪联合工况下,分析了风载荷和浪载荷变化对浮式风电机组的整机发电效率和发电量、传动系统高速级转矩峰值和波动的影响。
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