兆瓦级风力机变桨距控制及其执行机构优化设计

论文摘要

随着风力发电机单机容量的大型化,变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。本课题来源于兰州市科技攻关项目“大型风力机组检测及监测反馈控制装置（项目编号：2008-1-16）”。本论文的主题是风力机变桨距控制系统及其执行机构的研究,主要涉及到如下内容：利用风力机空气动力学原理和桨叶受力情况阐述变桨距调节原理,制定了变桨距控制策略。建立了变桨距发电系统各机构的数学模型,并在Matlab7.1软件搭建了各模型子模块,为后面的变桨距控制系统的研究奠定了基础。提出了采用PID控制和模糊控制结合的复合控制方式,即模糊PID参数自整定控制。在设计过程中,将变桨距控制系统各机构的数学模型引入到设计控制器的过程中,以验证所设计的控制器的性能。结果表明本控制器能有效的抑制输出功率和发电机转速在起始阶段的超调和波动,且能较快的达到稳态,较好的实现了控制要求。本文通过对桨叶承受的载荷计算,并利用Matlab7.1中的直接搜索工具箱进行优化设计,得出变桨距执行机构各尺寸参数的最优值,使得桨叶绕桨叶轴转动所需的力矩为最大时,机构所需的液压缸推力F为最小。在最优值的基础上,采用Pro/Engineer软件建立变桨距机构的三维实体模型,并进行了装配、静态干涉检查、动态干涉检查、运动仿真等工作,通过分析验证了本设计能够满足变桨距机构同步、同速和匀速变桨距角度范围为0～90°的设计要求。最后在ANSYS软件中对先前的变桨距造型零件进行静强度分析,分析结果显示该变桨距机构中的关键部件满足强度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外研究现状综述
• 1.2.2 国内研究现状综述
• 1.3 课题研究目标、研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 风力机变桨距控制原理
• 2.1 风力机的工作原理
• 2.2 风力机空气动力学
• 2.2.1 贝兹理论
• 2.2.2 风能利用系数
• 2.2.3 风力机桨叶受力
• 2.2.3.1 风轮在静止情况下叶片的受力
• 2.2.3.2 风轮在转动情况下叶片的受力
• 2.3 风力机变桨距控制策略的研究
• 2.3.1 风速低于额定风速
• 2.3.2 风速高于额定风速
• 2.4 本章小结
• 第3章 风力机变桨距控制系统的建模
• 3.1 变桨距风力发电机组的数学模型
• 3.1.1 风力机模型
• 3.1.2 传动系统模型
• 3.1.3 发电机模型
• 3.1.4 变桨执行机构模型
• 3.2 Matlab/Simulink的简介
• 3.3 变桨距风力发电机组的系统模型搭建
• 3.4 本章小结
• 第4章 风力机变桨距的模糊PID控制系统设计
• 4.1 PID的控制原理
• 4.2 模糊的相关知识
• 4.2.1 模糊集合、隶属度和隶属函数
• 4.2.2 模糊关系
• 4.3 模糊控制器的原理与设计
• 4.3.1 模糊控制系统的组成
• 4.3.2 模糊控制器的维数
• 4.3.3 模糊控制器的设计
• 4.3.3.1 精确量的模糊化处理
• 4.3.3.2 模糊控制器的模糊规则设计
• 4.3.3.3 输出信息的模糊判决
• 4.3.4 模糊PID控制方法介绍
• 4.4 模糊PID参数自整定控制器的设计
• 4.4.1 控制系统的结构
• 4.4.2 PID参数的自调整
• 4.4.3 控制器的设计
• 4.5 变桨距控制系统的仿真
• 4.6 本章总结
• 第5章 变桨距机构的设计优化与分析
• 5.1 变桨距机构的运动分析
• 5.2 桨叶承受载荷的计算
• 5.3 变桨距机构力学分析
• 5.4 变桨距机构的优化设计
• 5.5 变桨距机构的虚拟设计
• 5.5.1 变桨距机构零部件的三维造型
• 5.5.2 完成变桨距机构的装配
• 5.5.3 变桨距机构的干涉检查
• 5.6 变桨距机构的运动仿真分析
• 5.7 变桨距机构关键部件的强度分析
• 5.7.1 ANSYS软件简介
• 5.7.2 零件的静力分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文