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变桨距风机风轮建模与控制分析

作　者: 卢晓光
导　师: 高文元
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 兆瓦级风电机组偏航变桨距控制建模仿真风力发电
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 586次
引　用: 10次
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内容摘要

风能作为一种可再生能源越来越受到世界各国政府的重视。与此同时,对风力发电技术和装备的研究开发也日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。风力发电技术在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展,风力发电机也逐渐向大型化、商业化发展。随着《京都议定书》的实施,今后风力发电将比使用传统矿物燃料发电更具竞争力。风轮的控制包括偏航和变浆距。偏航和变桨距系统是风力发电机组的重要组成部分,直接影响机组对风能的利用效率和整机性能。本文在进行了大量的调研和查阅相关资料的基础上,依托兰州市科技攻关项目“大型风力机组检测及监测反馈控制装置”,以1.5MW风力发电机组为依据,阐述了大型风力发电机组的基本理论;分析了现阶段国内外风力发电技术的发展情况及趋势。全面掌握变桨距风机动态响应特性,是设计性能优良的的风力机控制系统,保证机组安全运行的关键。论文首先从变桨距风力机空气动力学进行研究,建立了机组各工作部件的数学模型,采用局部线性化方法,得到了系统的状态方程,通过简单仿真,对风速、电网电压和浆距角变化对系统响应特性进行了初步分析。并得出变桨距控制的理论基础,通过数学模型简化与仿真,最终验证其理论的合理性。为解决变浆距系统对高频变化的风速的响应问题,讨论了用电力电子装置的解决办法。为优化功率曲线,提出了变速的优化方案并研究了变速控制方法。在详细分析偏航控制系统控制要求的基础上,采用单片机89C51作为主控单元,设计了风电机组的偏航控制系统。该系统采取逻辑控制主动对风,实现了对风过程可控,准确跟踪风向并能自动解除由于偏航作用引起的电缆缠绕等功能,论文给出了基于风向传感器的偏航控制系统的软硬件设计结果。并设计优化了偏航液压系统,根据功率键合图原理推导了系统数学模型,利用MATLAB7.1的Simulink工具箱对偏航液压系统进行了仿真分析。仿真结果为风力发电机组偏航液压系统的设计和优化提供了有力的理论依据.

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-25
  1.1 引言  10-11
  1.2 风力发电发展情况及趋势  11-16
    1.2.1 世界风力发电的发展现状与展望  11-13
    1.2.2 我国风力发电的发展现状  13-15
    1.2.3 风力发电技术的发展趋势  15-16
  1.3 风力发电系统  16-23
    1.3.1 风力发电机简介  16-19
    1.3.2 风力发电机的主要类型  19-20
    1.3.3 风力发电机组各组成部分简介  20-23
  1.4 本课题的选题背景、研究的意义及研究的主要内容  23-24
    1.4.1 课题背景  23
    1.4.2 课题研究的意义  23-24
    1.4.3 课题研究的主要内容  24
  1.5 本章小结  24-25
第2章变浆距风机风轮及其相关部件模型的研究  25-47
  2.1 风力机空气动力学  25-29
    2.1.1 风能利用系数Cp与变桨矩理论基础  26-28
    2.1.2 风力机桨叶受力  28-29
  2.2 变浆距风力机主要部件的数学模型  29-35
    2.2.1 风轮模型  30-32
    2.2.2 异步发电机模型  32-33
    2.2.3 增速箱和次传动轴模型  33-34
    2.2.4 其它相关部件的数学模型  34-35
  2.3 风力机三大部件关联模型  35-37
  2.4 变桨距控制过程分析  37-42
    2.4.1 变桨距风力发电机组的特点及运行状态  37-39
    2.4.2 风速低于额定风速  39-40
    2.4.3 风速高于额定风速  40-41
    2.4.4 变桨距机构实现分析  41-42
  2.5 变浆距风力机数学模型的简化和仿真  42-45
    2.5.1 系统简化模型  42
    2.5.2 系统线性化  42-43
    2.5.3 系统仿真  43-45
  2.6 小结  45-47
第三章风轮变浆距及偏航控制分析  47-84
  3.1 变桨距控制滞后的转差率补偿  47-50
    3.1.1 转子电流控制原理  47-49
    3.1.2 转子电流控制器的功率调节和主要结构  49-50
  3.2 变速机组对变桨距系统响应问题的补偿  50-59
    3.2.1 变速变桨距机组的特点和双馈发电机的控制原理  50-54
    3.2.2 变速变桨距机组的控制策略  54-55
    3.2.3 变速变桨距机组的模糊控制  55-59
  3.3 偏航系统简介  59-60
  3.4 偏航控制器的设计  60-72
    3.4.1 硬件设计  60-66
    3.4.2 软件设计  66-72
  3.5 风轮偏航液压系统方案设计  72-76
    3.5.1 偏航液压系统的改进  73-74
    3.5.2 偏航闸液压缸的设计及其它液压元件选择  74-76
  3.6 风轮偏航液压系统的建模  76-83
    3.6.1 模型的建立  77-80
    3.6.2 模型仿真  80-83
  3.7 本章小结  83-84
结论  84-86
参考文献  86-89
致谢  89-90
附录攻读学位期间所发表的学术论文  90

变桨距风机风轮建模与控制分析

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