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风力发电机组独立变桨距系统控制策略的研究

作 者: 王晴和
导 师: 王湘明
学 校: 沈阳工业大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 独立变桨距 风切变 模糊控制 权系数
分类号: TM614
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


随着风力发电技术的发展,大型风力机组已经成为目前风电技术研究的重点。针对风速在空间和时间上分布的特点,变桨距风力发电机组的研究具有重要的意义。但是,由于风切变和塔影效应的影响,传统的统一变桨距系统具有一定的缺陷。通过研究,独立变桨距可以弥补统一变桨距的不足,对大型风力发电机组具有积极地意义。由风力机的空气动力学原理,可知风力机风轮不能完全的吸收风能,因此,在研究风力机风能时,必须在总风能上乘以一个系数,该系数称为风能利用系数。由贝兹理论可知,该系数最大为0.593。当风速超过风力机组设计时的额定风速,可以通过调节桨距角改变风能利用系数,保证风力发电机组始终工作在额定功率状态。但由于风切变和塔影效应的影响,风轮桨叶上的风速是随风轮转动具有周期性的变化,该变化会引起桨叶及风力机组整体的振动,该振动对风力发电机组的寿命具有消极的影响。通过单独调节每一个叶片的桨距角既能保证风力机具有稳定的功率输出,又可以减小因风速在空间上的非均匀分布而引起的机组振动。本文基于风力机的空气动力学原理和工程控制理论,针对变桨距风力发电机组的运行特点和风速的变化规律,提出了基于风轮桨叶方位角的权系数分配的独立变桨距控制系统。首先,通过风轮的空气动力学原理和工程控制理论建立统一变桨距的数学模型,并通过PID控制器和模糊控制器调整桨距角完成对功率、风轮转速的控制,保证发电机具有稳定的功率输出。再根据风切变和塔影效应的模型针对桨叶上风速的变化规律,建立基于桨叶方位角的权系数分配模型。最后,选取2MW风力机组的各项数据,通过计算机仿真验证了基于桨叶方位角的权系数独立变桨距控制策略的可行性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 背景与意义  11-12
  1.2 风力发电的发展状况  12-14
    1.2.1 国外发展状况  12-13
    1.2.2 国内发展状况  13-14
  1.3 风力发电机组及风力发电技术的概述  14-18
    1.3.1 风力发电机组简介  14-17
    1.3.2 风力发电技术简介  17-18
  1.4 课题研究的内容  18-20
第二章 风力发电机组变桨距理论基础  20-35
  2.1 空气动力学基础  20-28
    2.1.1 风含功率  20
    2.1.2 动量理论及贝兹理论  20-22
    2.1.3 风力机的特性系数  22-24
    2.1.4 翼型理论  24-27
    2.1.5 叶素特性  27-28
  2.2 变桨风力发电机组的模型  28-30
    2.2.1 风轮模型  28-29
    2.2.2 异步电机基本模型  29
    2.2.3 变桨距执行机构模型  29
    2.2.4 风力发电机组变桨距系统的线性化模型  29-30
  2.3 桨距角调节原理  30-33
  2.4 变桨距风力发电机组的运行状态  33-34
    2.4.1 启动状态  33
    2.4.2 欠功率状态  33
    2.4.3 额定功率状态  33
    2.4.4 停机状态  33-34
  2.5 小结  34-35
第三章 独立变桨距理论基础  35-48
  3.1 独立变桨距的空气动力学原理  35-38
    3.1.1 风切变  35-37
    3.1.2 塔影效应  37
    3.1.3 湍流强度  37-38
  3.2 风轮桨叶上的风速模型  38-41
    3.2.1 风切变风速模型  38-39
    3.2.2 塔影效应风速模型  39-41
    3.2.3 风切变与塔影效应同时影响桨叶的风速模型  41
  3.3 风速仿真  41-44
    3.3.1 风切变的仿真  42
    3.3.2 塔影效应仿真  42-44
    3.3.3 风切变与塔影效应对桨叶的影响  44
  3.4 风力发电机组桨叶受力分析  44-46
  3.5 风力发电机组独立变桨距的意义  46-47
    3.5.1 风力发电机组桨叶上风速的特点  46
    3.5.2 风力发电机组独立变桨距理论的提出  46-47
    3.5.3 统一变桨距和独立变桨距的关系  47
  3.6 结论  47-48
第四章 独立变桨距系统控制策略的研究  48-62
  4.1 变桨距控制系统  48-50
    4.1.1 变桨距风力发电机组控制系统  48-50
    4.1.2 变桨距控制  50
  4.2 独立变桨距控制系统  50-52
  4.3 基于PID控制的独立变桨距控制系统  52-54
    4.3.1 PID控制器的概述  52-54
    4.3.2 PID独立变桨距控制系统  54
  4.4 基于模糊控制的独立变桨距控制系统  54-58
    4.4.1 模糊控制简介  54-56
    4.4.2 模糊控制器设计的基本方法  56-58
    4.4.3 模糊控制独立变桨距系统  58
  4.5 基于模糊-PID控制器的独立变桨距系统  58-61
    4.5.1 模糊-PID控制器  58-60
    4.5.2 模糊-PID控制独立变桨距系统  60-61
  4.6 小结  61-62
第五章 风力发电机组独立变桨距系统的仿真  62-76
  5.1 MATLAB/Simulink简介  62-63
  5.2 PID变桨距系统的仿真  63-66
    5.2.1 PID变桨距系统的Simulink模块的搭建  63-64
    5.2.2 PID变桨距系统的仿真结果  64-66
  5.3 PID独立变桨距系统的仿真  66-68
    5.3.1 PID独立变桨距系统的Simulink模块的搭建  66-67
    5.3.2 PID独立变桨距系统的仿真  67-68
  5.4 模糊控制的独立变桨距系统的仿真  68-72
    5.4.1 Simulink的模糊逻辑控制器简介  68
    5.4.2 变桨距系统的模糊逻辑控制器设计  68-70
    5.4.3 基于模糊控制的独立变桨距系统仿真  70-72
  5.5 模糊-PID控制的独立变桨距系统的仿真  72-75
    5.5.1 模糊-PID控制器的设计  72
    5.5.2 模糊-PID的Simulink仿真模块的搭建  72-74
    5.5.3 基于模糊-PID控制的独立变桨距系统的Simulink仿真结果  74-75
  5.6 小结  75-76
第六章 结论  76-78
参考文献  78-80
附录 2MW风力机组数据  80-81
在学研究成果  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 发电、发电厂 > 各种发电 > 风能发电
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