高精度位置伺服控制风力机变桨距研究

论文摘要

风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,作为风能利用最主要形式的风力发电成为各国竞相研究的热点。变桨距风力机以其能最大限度地捕获风能、输出功率平稳等优点,日益成为风力机的主流机型,变桨距控制技术亦是当今兆瓦级风电机组控制的关键技术之一。本文对兆瓦级风电机组电动变桨距控制进行了较为全面的理论分析和仿真、试验验证。首先,综述了风电机组的工作原理及其控制技术的发展,提出了本课题的主要研究内容。在风力机桨叶空气动力学分析的基础上,对变桨距控制过程进行了研究,分析了风电机组不同运行阶段变桨距机构所起的作用,推导出变桨距风力机的控制策略。通过对变桨距风力机的建模及仿真分析,验证了变桨距控制策略的合理性。其次,设计了电动变桨距执行机构,通过桨叶驱动力等关键参数的计算对变桨距执行机构的主要部件进行了选型,在此基础上对电动独立变桨距单桨叶控制系统进行研究。通过对单桨叶位置控制系统的研究,包括控制原理、执行机构设计、控制器参数整定等,表明了独立变桨距控制方案的可行性,同时也为多桨叶协调控制的研究奠定了基础。最后,针对传统独立变桨距控制存在的增加成本、控制信号协调性差的问题,提出了虚拟主轴同步控制基础上的方位角权系数调整方案,该方案既保证了各桨叶在变桨过程中协调一致性的增强,又兼顾了不同空间位置桨叶最佳桨距角控制的原则。在此基础上,建立了独立变桨距控制系统的动态仿真模型,通过典型位置测试信号对控制系统的性能进行了详细的比较分析,并通过地面模拟试验台对电动变桨距控制进行了研究。仿真、试验及理论分析结果表明,独立变桨距节距角权系数调整方案能够满足风力机独立变桨距控制的实际要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 风力发电机组简介
• 1.2.1 风力发电机组组成
• 1.2.2 定桨距和变桨距风力发电机组
• 1.3 风力发电机组技术发展及趋势
• 1.3.1 国外风电技术发展
• 1.3.2 国内风电技术发展
• 1.3.3 世界风电技术发展趋势
• 1.4 课题主要研究内容
• 第二章 风力机变桨距控制策略研究
• 2.1 空气动力学分析
• 2.1.1 贝兹理论
• 2.1.2 风力机特性系数
• 2.1.3 风轮扫及面受力研究
• 2.2 变桨距控制过程研究
• 2.2.1 风速低于额定风速
• 2.2.2 风速高于额定风速
• 2.3 变桨距风电机组建模
• 2.3.1 风轮模型
• 2.3.2 传动链模型
• 2.3.3 异步发电机模型
• 2.4 变桨距控制系统建模及仿真分析
• 2.5 小结
• 第三章 风力机变桨距执行机构设计
• 3.1 风力机变桨距执行机构选择
• 3.2 电动变桨距执行机构设计
• 3.3 电动变桨距执行机构选型
• 3.3.1 桨叶驱动力计算
• 3.3.2 伺服电机与齿轮箱
• 3.3.3 检测机构
• 3.4 小结
• 第四章 独立变桨距单桨叶位置控制系统研究
• 4.1 单桨叶位置控制系统原理分析
• 4.1.1 单桨叶位置伺服控制系统组成
• 4.1.2 单桨叶位置伺服系统控制策略
• 4.2 单桨叶位置控制系统结构设计
• 4.3 单桨叶执行机构控制器设计
• 4.3.1 PMSM 数学模型
• 4.3.2 带电流反馈的PMSM 数学模型
• 4.3.3 速度调节器设计
• 4.3.4 位置调节器设计
• 4.4 单桨叶控制系统建模及仿真分析
• 4.4.1 单桨叶控制系统建模
• 4.4.2 仿真结果及分析
• 4.5 小结
• 第五章 独立变桨距多桨叶协调控制策略研究
• 5.1 多桨叶协调控制策略
• 5.2 虚拟主轴控制系统参数整定
• 5.2.1 虚拟主轴控制器设计
• 5.2.2 虚拟内轴参数选择
• 5.3 独立变桨距节距角调整方案
• 5.4 独立变桨距节距角权系数调整算法研究
• 5.4.1 基于桨叶方位角权系数的节距角调整算法Ⅰ
• 5.4.2 基于桨叶方位角权系数的节距角调整算法Ⅱ
• 5.5 独立变桨距多桨叶协调控制系统动态建模
• 5.6 系统仿真方案及仿真参数
• 5.6.1 仿真方案
• 5.6.2 仿真参数
• 5.7 仿真结果及分析
• 5.8 地面模拟变桨距试验
• 5.9 独立与统一变桨距方案桨叶所受阻力分析
• 5.10 小结
• 第六章 工作总结和展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ：独立变桨距控制系统仿真框图
• 附录Ⅱ：作者在攻读硕士学位期间发表的论文