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风力发电中变桨系统的设计与应用

2020-12-13阅读(1014)

风力发电中变桨系统的设计与应用

论文摘要

随着全球经济的发展和人口的增长,人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源因其使用便捷,可再生、成本低、无污染等特点,在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展,发展潜力巨大。特别是随着风力发电控制技术和伺服控制技术的迅猛发展。风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视,同时各国对变桨距风力机的设计、控制和运行已有完整的理论和方法,目前兆瓦级风力机已经是国际风电市场上的主流产品。随着风力发电机组大型化,智能化的发展,风力机必须具有较高的可靠性、风能利用系数和不断优化的输出功率曲线,变桨距技术随之产生。与定桨距控制技术相比,变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧,桨距角可以随风速的大小而自动调节,因而能够尽可能更多的吸收风能,同时在高风速段保持平稳的功率输出。本文从变速变桨距的要求出发,以3MW海上风机发电机组为例,介绍了海上风力发电机组变桨距控制理论。在空气动力学基础上,通过合理的假设,建立了系统的数学模型。依据叶素理论,通过对桨叶的空气动力学模型进行分析和计算,进行变桨距的调节。变桨系统采用BECKHOFF PLC为主控制器,PITCHMASTER伺服驱动器及交流伺服电机作为电动变桨距系统的执行机构。在分析伺服变桨距系统控制原理的基础上,设计了以伺服驱动器为核心的电动变桨距伺服控制系统,并在风场并网发电运行。同时设计了上位机模拟和监控软件及测试设备。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景及意义
  • 1.2 国内外的研究及发展现状
  • 1.3 风力发电机组控制技术概述
  • 1.3.1 风力发电机定桨距控制技术
  • 1.3.2 风力发电机变桨距控制技术
  • 1.4 本课题的主要研究内容与意义
  • 第二章 大型风力发电机变桨距控制理论
  • 2.1 风力发电机的基本组成部分
  • 2.1.1 风轮
  • 2.1.2 风力发电控制系统
  • 2.1.3 调速系统
  • 2.1.4 偏航系统
  • 2.1.5 增速器
  • 2.1.6 发电机
  • 2.1.7 双馈变流器
  • 2.2 风力机的空气动力学基本理论
  • 2.2.1 动量理论
  • 2.2.2 叶素理论
  • 2.2.3 风轮利用系数和贝兹极限
  • 2.3 变桨距风力发电机桨距角特性
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 风力发电变桨距控制策略与实现
  • 3.1 变桨距风力发电机组特点
  • 3.1.1 输出功率特性
  • 3.1.2 确保高风速段的额定功率
  • 3.1.3 在额定点具有较高的风能利用系数
  • 3.1.4 启动性能和制动性能
  • 3.2 变桨距控制系统运行状态
  • 3.2.1 风力发电机组并网前状态
  • 3.2.2 风力发电机组并网后状态
  • 3.2.3 风力发电机组脱网与停机
  • 3.3 变桨距控制原理及其策略
  • 3.3.1 变桨距风力机的控制策略
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 变桨控制系统硬件设计
  • 4.1 变桨控制系统组成
  • 4.2 变桨系统主控制器硬件设计
  • 4.2.1 变桨系统硬件选型和设计
  • 4.2.2 CPU 模块CX9000
  • 4.2.3 现场总线模块EL6731/6751
  • 4.2.4 数字量输入模块EL1008/EL2008
  • 4.3 变桨系统伺服驱动器硬件设计
  • 4.3.1 伺服驱动器的硬件设计要求
  • 4.3.2 伺服驱动器的硬件接口说明
  • 4.3.3 伺服驱动器内部结构图
  • 4.4 变桨系统伺服电机载荷计算和设计
  • 4.4.1 变桨系统电机负载计算
  • 4.4.2 变桨系统电机选型、设计、测试
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 变桨控制系统软件设计
  • 5.1 变桨控制系统软件设计要求及功能
  • 5.1.1 变桨系统的设计要求
  • 5.1.2 变桨控制系统功能
  • 5.1.3 变桨控制系统的几种工作模式
  • 5.2 变桨系统主控制器的软件设计
  • 5.2.1 变桨控制系统软件的整体架构
  • 5.2.2 变桨控制系统软件的组态
  • 5.3 变桨系统伺服驱动器功能设计和应用
  • 5.3.1 伺服驱动器应用功能设计
  • 5.4 变桨系统内部通讯和外部通讯接口的软件设计
  • 5.4.1 CANOPEN 总线的介绍
  • 5.4.2 PROFIBUS 总线的介绍
  • 5.4.3 变桨系统中CANOPEN 和PROFIBUS 总线软件设计
  • 5.5 风力发电变桨系统中PID 算法和应用
  • 5.5.1 PID 算法控制原理
  • 5.5.2 变桨系统中PID 算法的设计实现
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 变桨系统模拟测试与实验
  • 6.1 变桨系统模拟主控测试平台
  • 6.2 变桨系统软件模拟测试
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 本论文工作总结
  • 7.2 课题展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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