直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计

论文摘要

我国风电发展较晚，技术相对比较落后，但近几年发展十分的迅速，2MW的风力发电机组早已量产，而3～5MW的风力发电机组也在研制中。但是目前风力发电成本一直居高不下，使其成为制约我国风力发电发展的主要因素，其中基本原因一方面是风力发电机组电控系统的设计水平还不高，另一方面是风力发电机组多为定桨距的小功率机组，发电效率比较低。由此可见，我国发展风力发电的主要方向就是提高国产风力发电机组的技术水平，以及通过改变控制技术提高风能利用率，进一步降低发电的成本。因此，研究开发具有自主知识产权的控制系统势在必行，具有重大技术、经济和社会意义。直驱永磁风力发电机组以其结构简单、维护成本低、转换效率高、可靠性高等优点，得到较快的发展。本文主要围绕直驱永磁风力发电机组的偏航系统展开研究。首先，介绍了直驱型风力发电系统的基本结构和风力机的基础理论，建立了风力机的数学模型，从而为风机控制打下了基础，再从风力机的风能计算出发，对风力机的能量转换过程以及风力机的基本特性进行了介绍。其次，本文对偏航系统由理论分析转入具体的控制实现，以风向标检测的风向信号作为直驱永磁风力发电机组偏航跟踪控制系统的参考输入，设计了跟踪控制器控制偏航系统进行自动对风，使风力发电机组桨叶始终处于迎风状态，实现最大功率追踪，以获得尽可能多的能量。以偏航机构为研究对象，分析偏航控制要实现的任务，从而完成偏航系统的搭建，解决风力发电机组的偏航，其中重点对偏航电机的进行了计算和选型，以及它接线方式的设计。最后，根据所设计的直驱永磁风力发电机组偏航系统的拓扑结构图进行偏航控制系统的硬件和软件的设计，提出以奥地利Bachmann公司的MX213处理器作为主控制器的控制方案，包括各个控制模块的选型、系统总体结构的设计，根据控制要求进行相应程序流程图的编写。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.1.1 能源危机与环境污染
• 1.1.2 发展风力发电的必要性
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 风力机发电技术研究发展现状
• 1.2.2 变速恒频风电技术研究发展现状
• 1.3 课题研究的意义与主要工作
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 课题研究的主要工作
• 第2章 直驱永磁风力发电系统
• 2.1 直驱永磁风力发电机组的基本结构
• 2.2 风能对风力发电的影响
• 2.2.1 风能的计算
• 2.2.2 自由流场中的风能
• 2.3 风力机模型
• 2.3.1 风力机功率特性
• 2.3.2 最大风能捕获运行原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 偏航系统功能和原理
• 3.1 偏航控制单元
• 3.2 风速变化的模型
• 3.3 风向和风速
• 3.3.1 风向的测量
• 3.3.2 风速的测量
• 3.4 偏航角度和方向的计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 偏航系统的硬件设计
• 4.1 偏航控制机构
• 4.1.1 偏航控制器
• 4.1.2 风向传感器
• 4.1.3 电缆缠绕传感器
• 4.1.4 振动检测器
• 4.2 偏航执行机构
• 4.2.1 偏航执行装置
• 4.2.2 偏航轴承
• 4.2.3 偏航制动器
• 4.3 本章小结
• 第5章 偏航系统的软件设计
• 5.1 偏航控制器功能分析
• 5.1.1 偏航控制器的控制功能和参数
• 5.1.2 偏航控制器的程序构架
• 5.2 PLC 主控单元程序
• 5.2.1 90 度侧风控制程序
• 5.2.2 自动解缆控制程序
• 5.2.3 人工偏航控制程序
• 5.2.4 自动偏航控制程序
• 5.2.5 温度巡检子程序
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间参加的科研项目
• 附录B 偏航控制部分程序