风力发电系统的变桨距控制

论文摘要

能源与环境已成为21世纪人类面临的首要问题。风能因具有可再生、无污染、低成本等优点,正受到世界各国的重视。高效而可靠的风力发电机的研究与开发已经成为能源技术领域的热点和难点。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,所以对风力发电机,尤其是大型机组控制技术的深入研究具有十分重要的现实意义。本文以兆瓦级风力发电机为依托,对大型风力发电机变桨距控制技术进行了较深入的探讨。本文首先从风力发电机桨叶的空气动力学理论入手,通过对变桨距控制的工作过程及作用分析可知,风力发电机的变桨距控制与定桨距控制相比,当风力发电机在额定风速以上运行时,变桨距控制不但可以确保高风速段的恒功率输出,而且可以减少机械部件的损耗以及机械振动对系统的影响。为了满足风力发电机的恒功率控制要求,对其模型在运行工作点处进行了线性化处理,从而实现了风力发电机变桨距的PID控制。而独立变桨距控制由于可有效减少因风速随高度发生迅速变化而产生的风力发电机巨大的轮毂载荷,已成为目前研究的热点。但独立变桨距风力发电机控制系统存在非线性、多变量等特点,并且三个桨叶的控制命令不是随机分配,三个桨叶的控制存在一定的耦合关系,采用传统的PID控制器难以实现对独立变桨距风力发电机进行控制,因此本文提出一种基于载荷优化权系数的风力发电机模糊独立变桨距控制器,针对独立变桨距风力发电机设计了模糊控制器,并建立了轮毂载荷的目标函数,实现了基于载荷优化的权系数分配,使风力发电机独立变桨距系统可以根据桨叶所受风速,为每个桨叶分配不同的桨距角控制命令,从而可以有效地减少各桨叶合力所产生的轮毂载荷。仿真结果表明,本文提出的控制算法解决了风力发电机在额定风速以上的恒功率控制,减少了风力发电机的非线性对系统的影响,并且通过与传统PID统一变桨距控制系统相比较,该系统不仅抗扰能力强,控制精度高,而且有效地减少了风力发电机的轮毂载荷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 风力发电发展及大型风力发电机技术现状
• 1.2.1 风力发电发展现状
• 1.2.2 大型风力发电机技术现状
• 1.3 国内外变桨距控制技术研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 风力发电机变桨距系统分析
• 2.1 风力发电机的组成及理论基础
• 2.1.1 风力发电机的组成
• 2.1.2 风力发电机理论基础
• 2.2 变桨距控制过程分析
• 2.2.1 风速低于额定风速
• 2.2.2 风速高于额定风速
• 2.3 变桨距控制的作用
• 2.4 风力发电机存在的载荷问题及其计算
• 2.4.1 风力发电机载荷问题
• 2.4.2 风力发电机载荷计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 风力发电机系统建模
• 3.1 变桨距系统机构
• 3.1.1 电液伺服变桨距机构
• 3.1.2 电气伺服变桨距机构
• 3.1.3 两种伺服机构的比较
• 3.2 变桨距控制方式
• 3.2.1 统一变桨距控制
• 3.2.2 独立变桨距控制
• 3.3 变桨距风力发电机数学模型
• 3.3.1 风力发电机模型
• 3.3.2 系统线性化
• 3.4 本章小结
• 第4章 独立变桨距系统的控制器设计
• 4.1 独立变桨距控制系统方案提出
• 4.2 独立变桨距模糊控制器的设计
• 4.2.1 变桨距控制系统精确量的模糊化
• 4.2.2 变桨距控制系统的模糊控制算法的设计
• 4.2.3 变桨距控制系统输出信息的模糊判决
• 4.3 基于载荷的桨距角权系数分配设计
• 4.4 变桨距控制系统SIMULINK实现
• 4.5 变桨距控制系统仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢