大型风电机组独立变桨距控制系统研究

【摘要】：在传统能源日益萎缩枯竭的今天，大力开发绿色能源成为人类科技研究的一个重要课题。风能作为清洁能源的一种，在能源供给中的比例正在逐步提高。独立变桨距控制技术作为风力发电技术中的关键技术之一，对风机的控制起着重要作用，成为众多科研院所研究的重点。 本文首先介绍了风力发电机组的组成、分类及工作原理，为选择何种类型的发电机组进行建模研究奠定了理论基础。其次，介绍了变桨距系统的工作原理，明确本文研究时采用电驱动方式作为变桨距执行机构。风机建模通常复杂繁琐，本文针对这一问题采用先分析再综合的方法，分别建立风机各子系统数学模型，再综合各子系统模型建立了风机模型。根据风机仿真中出现的开环功率输出不理想的情况，设计了PID控制器。通过统一变桨距风机仿真，证明了PID控制器在功率控制上的可行性，同时发现由风速不均匀引起的桨叶轴向气动力的变化，会使桨叶载荷分布不均匀，从而引起一定的振荡，因此希望减小这一载荷。在努力减小由桨叶轴向气动力引起的振荡问题时，一种基于桨叶方位角权系数分配的新型思想被提出并应用到建模仿真研究中去。在此基础上针对独立变桨距风机的功率控制本文提出了模糊自整定PID控制策略。通过simulink建模仿真表明基于模糊自整定PID的桨叶方位角权系数分配独立变桨距控制策略是可行的，它在保证输出功率有所改善的条件下，有效地减小了桨叶载荷。 【关键词】：独立变桨距控制 风力发电技术 风机建模 权系数 模糊-PID
【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题研究的背景和意义11-13
• 1.2 国内外独立变桨距研究现状13-14
• 1.2.1 国内研究现状13-14
• 1.2.2 国外研究现状14
• 1.3 风电机组功率控制14-15
• 1.4 课题研究的主要内容15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 2 风力发电机组基础17-24
• 2.1 风力发电机组的组成部分17-19
• 2.1.1 风轮17-18
• 2.1.2 风轮轴18
• 2.1.3 调速装置18
• 2.1.4 制动系统18
• 2.1.5 发电机18
• 2.1.6 机舱18-19
• 2.1.7 偏航系统19
• 2.1.8 塔架19
• 2.1.9 控制系统19
• 2.2 风力发电机组分类19-21
• 2.3 风力发电机组的工作原理21-22
• 2.4 大型风力发电机组的典型结构22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 风力发电机组特性分析与建模研究24-41
• 3.1 风力机的空气动力学理论24-29
• 3.1.1 叶素理论24-25
• 3.1.2 风能功率25-26
• 3.1.3 风能利用系数与贝兹极限26-29
• 3.2 风速特性分析29-30
• 3.2.1 风切变效应29-30
• 3.2.2 塔影效应30
• 3.3 变桨距系统工作原理30-33
• 3.3.1 变桨距系统结构及工作原理30-32
• 3.3.2 变桨距驱动装置32-33
• 3.3.3 独立电动变桨距系统33
• 3.4 变桨距风电机组典型工况分析33-34
• 3.5 风力发电机组建模34-40
• 3.5.1 风轮模型35-36
• 3.5.2 传动系统模型36-37
• 3.5.3 双馈型风力发电机模型37
• 3.5.4 电动变桨执行机构简化模型37-38
• 3.5.5 风电机组仿真38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 4 独立变桨距控制策略研究41-53
• 4.1 独立变桨距优越性分析41-42
• 4.2 基于桨叶方位角权系数分配的独立桨叶控制42-45
• 4.2.1 桨叶方位角分析42-43
• 4.2.2 桨叶方位角权系数分配43-45
• 4.3 PID 控制器工作原理45-46
• 4.4 模糊控制原理和模糊控制器的设计方法46-50
• 4.4.1 模糊控制的基本原理47
• 4.4.2 模糊控制器设计的基本方法47-50
• 4.5 模糊-PID 控制器设计方法50-52
• 4.5.1 模糊自整定 PID 控制器的结构51
• 4.5.2 自整定设计指导思想51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 大型风力发电机组独立变桨距控制仿真53-62
• 5.1 仿真软件介绍53
• 5.2 风资源模型53-55
• 5.2.1 风速模型的建立53-54
• 5.2.2 风速仿真效果54-55
• 5.3 基于 PID 的系统仿真55-57
• 5.3.1 PID 统一变桨距控制系统的 Simulink 模块搭建55-56
• 5.3.2 PID 统一变桨距系统仿真结果及分析56-57
• 5.4 基于模糊自整定 PID 的独立变桨距控制系统仿真57-61
• 5.4.1 模糊-PID 控制器的设计57-58
• 5.4.2 模糊-PID 的 Simulink 仿真模块的搭建58-59
• 5.4.3 基于模糊-PID 控制的系统仿真结果及分析59-61
• 5.5 本章小结61-62
• 6 总结与展望62-63
• 6.1 本文总结62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-65
• 作者简历65-66
• 学位论文数据集66-67

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