变速恒频风电机组主控系统研究

【摘要】：作为取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源,风能的开发利用备受青睐,伴随着人类对能源的巨大需求,风力发电行业逐步走向了大规模、商业化的发展道路,风力发电蕴藏着无限的发展潜力和美好前景。随之带动的是风力发电技术的快速发展。近年来,随着变桨技术的发展,变速恒频双馈风力发电机组成为了主流的风力发电机型。 在风力发电所涉及的众多系统中,控制系统处于整个机组的核心地位,它与机组其他部件联系密切,指挥着机组正常运行。控制系统的控制技术是风力发电关键技术之一,精确地控制、完善的功能是保证机组安全、稳定、高效运行的条件。 由于风场大多处于自然条件恶劣、且无人值守的环境中,这就要求控制系统具有较高的可靠性和完备的控制功能。本文以变速恒频双馈风力发电机组为基础,研究机组控制系统的主要功能,重点进行机组主控制器的设计研究,并在实验室实现主控系统的实验平台。 本文分析了变速恒频风电机组发电原理以及整个机组的系统结构,根据风速和转速条件的不同将机组运行区域进行划分,分阶段对机组进行控制,分析了机组的控制任务和功能要求,制定出机组整体的控制策略。研究了最大风能捕获过程,通过对不同方法的比较,选用跟踪最优功率转速曲线法作为本系统的最佳风能追踪算法。 对于主控系统中的变桨调节环节,在额定风速以上发电机输出功率达到最大值后,投入变桨控制器限制风机进一步的捕获风能。本文在传统PI控制器的基础上,采用PI增益调度的控制方法,实现不同阶段变参数的PI调节,较好的改进了控制效果。 根据主控系统的控制任务要求以及对硬件性能的考虑,选用西门子工控机作为主控制器的硬件基础,配以嵌入式PLC-SIMATIC WinAC实现控制功能,对机组各种现场输入输出信号选择分布式I/O系统进行采集,完成了硬件的选型配置。根据系统要求设计了主要软件功能,并开发了良好的现场操作屏和远程上位机系统。 【关键词】：风力发电 主控制器 变桨距控制 嵌入式PC
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 风力发电技术的国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外风力发电研究现状10-12
• 1.2.2 国内风力发电研究现状12-13
• 1.3 风电机组控制系统的研究现状13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 第2章 变速恒频风力发电理论及系统概述16-29
• 2.1 引言16
• 2.2 风力机基本特性16-19
• 2.3 变速恒频双馈风力发电技术19-24
• 2.3.1 交流励磁双馈风力发电基本原理19-21
• 2.3.2 双馈风电机组整体结构21-24
• 2.4 变速恒频风电机组控制系统概述24-26
• 2.4.1 机组控制系统分析24
• 2.4.2 机组控制系统构成24-26
• 2.5 最大风能跟踪原理及方法26-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 机组控制器整体设计及仿真29-44
• 3.1 引言29
• 3.2 机组数学模型29-31
• 3.3 机组整体控制策略31-34
• 3.3.1 变速恒频风电机组运行区域31-33
• 3.3.2 机组整体控制策略33-34
• 3.4 系统仿真模型及结果34-43
• 3.4.1 风电机组控制系统仿真模型搭建34-37
• 3.4.2 功率限制变桨PI增益调度设计37-38
• 3.4.3 仿真结果分析38-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 基于WinAC的变速恒频风电机组主控制器的软硬件设计44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 风电机组主控制器硬件设计选型44-49
• 4.2.1 主控系统硬件构架44-46
• 4.2.2 主控系统硬件部件46-47
• 4.2.3 主控系统主要监控量的采集47-49
• 4.3 风电机组主控制器软件设计49-53
• 4.3.1 主控系统软件总体架构49-51
• 4.3.2 主控系统软件工程环境51-53
• 4.4 风电机组主控软件功能块53-57
• 4.4.1 主控系统软件功能块设计53-55
• 4.4.2 其他子系统功能块设计55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 实验室风电机组主控系统实现58-69
• 5.1 引言58
• 5.2 实验室硬件实验平台介绍58-60
• 5.3 主控制器接口配置及通讯的实现60-61
• 5.4 主控软件实现61-65
• 5.4.1 控制系统软件实现61-64
• 5.4.2 控制程序模块间作用64-65
• 5.5 主要功能的实验室测试65-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文74-76
• 致谢76

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