兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计

论文摘要

近年来，作为世界上发展最快的可再生能源，风能受到了世界各国的关注。随着计算机与自动控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，其单机容量从最初的数十千瓦发展到现在的兆瓦级，控制方式从基本的定桨距失速型控制向变桨距控制转变，直到现在的变速控制。直驱永磁同步风力发电机组作为一种变速恒频风力发电机，在风力发电市场中，以其结构简单、维护成本低、转换效率高、可靠性高等优点，得到了较快的发展。本文以“兆瓦级风力发电机组控制系统国产化”项目为工程背景。以XE93-2000型直驱永磁同步风力发电机为具体研究对象，对直驱永磁同步风力发电机组进行建模及仿真，并对变桨距控制系统进行设计和改进。首先，本文描述了变速风力发电机组变桨距控制的运行原理以及变速风机的运行特性。通过对风力机的空气动力学特性研究，推导出风能利用系数C p与尖速比λ和桨叶的节距角β之间呈非线性关系，这为研究变桨距风电机组的系统建模提供了基础。然后，本文在了解直驱永磁同步风力发电机组各个组成部分的基础上，根据直驱永磁风力发电机组的特点，对风机的气动部分、传动部分和直驱永磁发电机部分分别进行了数学建模，并在此基础上，在Matlab/Simulink的环境下建立了整个直驱永磁风力发电机组的数学模型并进行了仿真调试。最后，对湘电风能XE93-2000型直驱永磁风力发电机组的变桨距伺服控制系统进行了整体设计及论证。系统采用独立电动变桨方案，经过比较选型，变桨距控制系统采用直流电动变桨距控制系统。在此基础上，本文还对系统的电源分布电路、逻辑控制电路、后备供电电源、安全链电路、电池管理单元以及变桨电机启动电路作了详细的设计和改进工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 风力发电研究背景与意义
• 1.2 风力发电机组的主要机型
• 1.2.1 双馈风力发电机系统
• 1.2.2 直驱型风力发电机组
• 1.3 变桨距风力发电机组的特点
• 1.3.1 输出功率特性
• 1.3.2 额定点的风能利用系数
• 1.3.3 高风速段的额定功率
• 1.3.4 起动性能与制动性能
• 1.4 变桨距控制系统国内外研究现状与趋势
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 风力机变桨距调节原理
• 2.1 风力发电空气动力学基础
• 2.1.1 风能的计算
• 2.1.2 自由流场中的风能
• 2.1.3 风力机的特性
• 2.2 风力机的变桨距控制原理
• 2.3 变桨距风力发电机组的运行状态
• 2.3.1 起动状态
• 2.3.2 欠功率状态
• 2.3.3 额定功率状态
• 2.4 本章小结
• 第3章 直驱永磁风力发电机系统建模
• 3.1 直驱永磁同步风力发电机系统概述
• 3.2 风能利用系数模块
• 3.3 风轮模块
• 3.4 永磁同步电机的数学模型
• 3.5 控制模块
• 3.6 直驱永磁发电机组数学模块及仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 变桨距控制系统设计
• 4.1 变桨距系统执行机构结构
• 4.2 变桨距伺服控制系统整体设计
• 4.3 变桨伺服电机选型
• 4.4 紧急收桨分级起动设计
• 4.5 驱动器选型
• 4.6 控制器模块选型
• 4.7 系统电源设计
• 4.6.1 交流电源分配
• 4.6.2 24V 直流电路设计
• 4.6.3 电源冗余设计
• 4.8 电池管理单元设计
• 4.7.1 硬件电路设计
• 4.7.2 软件设计
• 4.9 工况切换逻辑控制电路设计
• 4.10 改进逻辑控制电路设计
• 4.11 安全链设计
• 4.12 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