兆瓦级风电机组电动变桨距控制系统的研究与实现

【摘要】：随着能源问题引起全社会的广泛重视，以风力发电为代表的清洁能源的开发利用成为当前研究的热点。随着风电并网容量的增大，风电机组的控制技术越来越受到了人们的重视，变桨系统承担着包括风电机组功率控制在内的重要功能，尤其是大量应用在兆瓦级风电机组中的电动变桨距技术，已成为现代风力发电系统十分重要的组成部分。 本文的主要工作由以下几部分构成。 首先从风力机的空气动力学入手，分析了影响风力机输出功率的因素以及变桨距风电机组的工作模式。随后阐述了风电机组对变桨系统的要求以及电动变桨系统的基本结构，为后续章节提供理论基础。 根据上述理论，本文针对现有变桨系统无法抑制功率高频波动的缺点提出了一种改进的变速率变桨控制方案，该方案结合模糊理论建立了变桨速率决策系统，然后利用仿真软件建立了风电机组电动变速率变桨的模型，验证了该理论对稳定输出功率的有效性，并降低了变桨机构的疲劳度。 随后本文对兆瓦级风电机组电动变桨系统的电气结构进行了详细的设计和优化，分别从变桨电机、交流伺服控制系统、柜体结构、系统配电、数据通讯等方面完成了集成设计。考虑到后备电源在电动变桨系统中的突出重要性，本文提出了一种全新的冗余后备电源结构，并设计了其控制方案。 根据以上设计，本文最后完成了主控制器硬件实验平台的搭建，设计了主状态机和人机界面，完成了软件程序的编写，并实验验证了本文设计的电动变桨系统的可靠性，为进一步研究打下基础。 【关键词】：风力发电 电动变桨距 变速率变桨 电控系统 后备电源
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 选题背景及研究意义9-13
• 1.1.1 国内外风电发展现状与趋势9-12
• 1.1.2 兆瓦级风电机组变桨距技术12-13
• 1.2 风电机组电动变桨系统发展现状13-17
• 1.2.1 电动变桨与液压变桨13-14
• 1.2.2 电动变桨距控制系统研究现状14
• 1.2.3 变桨后备电源应用现状14-16
• 1.2.4 风电电动变桨行业市场现状16-17
• 1.3 本文研究目的与基本内容17-19
• 1.4 本章小结19-20
• 第二章 变桨距风力发电机组基本理论20-31
• 2.1 风力机的空气动力学基础20-24
• 2.1.1 风能的贝茨理论20-22
• 2.1.2 风力机的特性系数22-23
• 2.1.3 变桨距风力机的功率控制23-24
• 2.2 变桨距风电机组工作模式24-26
• 2.2.1 风电机组变桨系统基本控制结构24-25
• 2.2.2 变桨距风电机组的运行状态25-26
• 2.3 风电机组对变桨距系统的要求26-27
• 2.4 电动变桨系统的基本结构27-30
• 2.4.1 变桨电机27-28
• 2.4.2 变桨控制器28
• 2.4.3 伺服驱动器28-29
• 2.4.4 后备电源29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 基于模糊控制的电动变速率变桨系统的研究31-51
• 3.1 风电机组变速率变桨控制方法的提出31-33
• 3.2 模糊变速率变桨控制系统的设计33-41
• 3.2.1 变桨速率决策系统33-35
• 3.2.2 变桨系统模糊控制基本理论35-37
• 3.2.3 变速率模糊控制器的设计37-41
• 3.3 基于模糊控制的电动变速率变桨距系统建模41-44
• 3.3.1 变桨控制系统41-42
• 3.3.2 风速模型42
• 3.3.3 风轮气动模型42-43
• 3.3.4 风力发电机及传动链的等效处理43-44
• 3.3.5 电动变桨执行机构模型44
• 3.4 仿真验证44-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 电动变桨距电气结构的设计与优化51-65
• 4.1 独立电动变桨系统51-52
• 4.2 电动变桨交流伺服系统的设计52-54
• 4.2.1 伺服电机的设计52-53
• 4.2.2 伺服控制策略设计53-54
• 4.3 电控系统结构的设计与优化54-58
• 4.3.1 6柜系统整体结构设计54-56
• 4.3.2 系统配电56
• 4.3.3 数据通讯56-58
• 4.4 后备电源的设计与优化58-64
• 4.4.1 常见电气拓扑59-60
• 4.4.2 冗余容量配比60-61
• 4.4.3 串并联切换型多级冗余后备电源的设计61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 电动变桨控制系统的实现65-76
• 5.1 电动变桨系统硬件实现65-71
• 5.1.1 主控制器硬件设计65-67
• 5.1.2 模拟风机主控67-68
• 5.1.3 变桨传动试验平台68
• 5.1.4 电控系统68-70
• 5.1.5 后备电源70-71
• 5.2 软件设计71-74
• 5.2.1 变桨控制主状态机设计71-72
• 5.2.2 HMI 设计72-74
• 5.3 实验结果74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 总结76
• 6.2 不足和展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文83-85

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