兆瓦级风电机组变桨距控制系统的研究

论文摘要

进入20世纪以来,随着全球经济的快速发展,能源需求迅速增长。各国为了经济的快速发展,甚至不惜以环境为代价。在污染日趋严重、能源极度紧缺的今天,全球范围内的新能源热潮正在展开,一直在新能源技术中处于领先地位的风电技术愈加受到重视。我国风电技术起步较晚,虽然经过近十年的快速发展,在装机总容量和新增装机容量方面,已处于亚洲第一、世界第二的位置。但是我国自主研制的风电机组主要以小型风电机组为主。在大型风电机组技术方面,仍与世界风电大国存在差距。因此,进行大型风电机组技术的研究具有重要的技术经济意义。本文首先从风力机空气动力学研究入手,分析了变桨距控制的基本规律,建立了风电机组的数学模型。随后对电动变桨距系统进行了分析和设计,介绍了电动变桨距系统的结构,建立了电动变桨距永磁同步电机的数学模型。发现风电机组具有多变量、非线性等特点,传统的PID控制器在风力发电的变桨距控制中难以获得较理想的控制效果;而且风本身随机性强,其速度、方向、大小随时间不断变化,这就很难建立精确的被控对象的数学模型。因此,研究兆瓦级风电机组变桨距控制技术,提高变桨距风力机的功率调节对高频风速变化的适应性,是摆在我们面前的重要课题。本文针对大型风电机组需要解决的上述技术难题,采用模糊控制和PID控制相结合控制方法,将模糊控制不需精确的被控对象数学模型、鲁棒性强的优点与传统PID控制结构简单、调整方便的优点相结合。对模糊PID变桨距控制进行了研究,利用工程中常见的离散式查表法设计了变桨距模糊PID控制器。MATLAB仿真实验证明,该控制器改善了传统PID控制器在变桨距控制中存在的鲁棒性差、响应速度慢的问题,取得了良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电的地位
• 1.2 世界风力发电现状
• 1.2.1 国外风电发展概况
• 1.2.2 国内风电发展概况
• 1.3 风力发电技术
• 1.3.1 风力发电技术的发展现状
• 1.3.2 风力发电机组技术的发展趋势
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 第二章 风力机变桨距控制的理论基础
• 2.1 风力发电中的风能理论
• 2.1.1 可捕获风能的计算
• 2.1.2 贝茨理论
• 2.1.3 风力机特性指标
• 2.2 变桨距风力发电机
• 2.2.1 变桨距与定桨距控制方式的比较
• 2.2.2 变桨距调节的控制原理
• 2.3 变桨距风力机组的运行状态研究
• 2.3.1 变桨距控制过程
• 2.3.2 最大风能捕获状态
• 2.3.3 额定功率输出状态
• 2.4 本章小结
• 第三章 变桨距控制系统分析
• 3.1 变桨距风力发电机组的组成
• 3.2 变桨距风力发电机组各部分数学模型
• 3.2.1 风速模型
• 3.2.2 风力机模型
• 3.2.3 发电机模型
• 3.3 变桨距系统仿真模型
• 3.4 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 变桨距控制系统设计
• 4.1 变桨距控制系统电机选择
• 4.2 电动变桨距永磁同步电机数学模型
• 4.2.1 永磁同步电机在三相ABC 坐标系中的数学模型
• 4.2.2 坐标变换和变换阵
• 4.2.3 永磁同步电机在d-q 坐标系中的数学模型
• 4.3 电动变桨距伺服系统的控制
• 4.3.1 永磁同步电机的矢量控制
• 4.3.2 逆变器模型及空间矢量调制
• 4.4 本章小结
• 第五章 变桨距控制系统仿真
• 5.1 变桨距系统控制策略
• 5.2 模糊PID 控制算法
• 5.2.1 模糊控制理论的发展概况
• 5.2.2 模糊控制算法的理论基础
• 5.2.3 PID 控制介绍
• 5.2.4 模糊PID 控制器设计
• 5.3 变桨距系统的仿真
• 5.4 系统仿真结果的分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢