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兆瓦级风电机组变桨距控制设计与实现

作　者: 朱洁琼
导　师: 段斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 风力发电 变桨距控制 ARM Linux
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


由于石油资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注,风能作为可再生绿色能源以其突出的优点成为全世界普遍重视的能源。风能开发的重要性已无可争辩,风力发电技术也随之得到迅猛发展。而进行大规模风能开发首先必须解决一系列关键技术问题,其中,风力发电机的变桨距控制是一个极具挑战性的控制问题,对其进行深入研究具有十分重要的现实意义。本文以“兆瓦级(2MW)直驱型风力发电机组及其关键部件的设计和制造技术”项目研究为依托,提出了一种以ARM嵌入式系统为平台的风力发电机组变桨距控制系统的设计方案。首先通过研究风力机桨叶的空气动力学基本理论,得出变桨距控制的理论基础,分析了变桨距控制的基本规律。然后研究和分析了直驱型兆瓦级风力发电机组及其控制系统和变桨距控制策略,在设计变桨距控制器的控制策略时,将视角由常规的风机、风况局部环境扩展到含风机、风况、风电场、大电网等的广域环境。设计了变桨距控制系统的主体结构,并着重研究了变桨距控制系统的可靠性设计。同时详细设计了变桨距控制系统的软硬件模块,实现了变桨距控制系统的基本功能。最后,通过搭建基于ARM+Linux+PC的风力发电机变桨距控制器软硬件实验平台,验证了论文所设计变桨距控制系统的可实现性,在该平台基础上基本实现了实时控制风电机叶片桨距角的功能,对特殊情况下的紧急停机、一般情况下的机组的初始化、切入风速以下的启动变桨、发电状态下的变桨和正常停机等各项工况经过仿真实验均得到了比较满意的控制效果。本文详细介绍和对比了国内外风力发电技术的研究和应用情况,提出了一种以ARM嵌入式系统为平台的风力发电系统变桨距控制器的设计方案,对风力发电变桨距控制系统进行了较为全面的从仿真到实验、从理论到实践的深入研究,为今后的进一步研究奠定了一定的基础。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题的背景  8-9
  1.2 风电发展综述  9-11
    1.2.1 世界风电发展概况  9-10
    1.2.2 风力发电机组的发展  10-11
  1.3 风力发电机组控制技术  11-14
    1.3.1 国内外风机控制技术研究概况  11-12
    1.3.2 定桨距控制与变桨距控制的比较  12-13
    1.3.3 国内外风机控制技术发展趋势  13-14
  1.4 本文的主要研究内容  14-15
第2章 风力机变桨距控制理论研究  15-25
  2.1 风力机空气动力学基础  15-20
    2.1.1 风速特性  15-16
    2.1.2 风力机桨叶的气动力  16-18
    2.1.3 风力机的功率与风能利用系数  18-20
  2.2 变桨距风力机基本控制策略  20-21
  2.3 变桨距控制技术分析  21-23
  2.4 独立变桨距电动伺服执行机构  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章 兆瓦级风电机组变桨距控制设计  25-39
  3.1 兆瓦级风力发电机组结构  25-26
  3.2 兆瓦级风力发电机组的控制系统及软硬件模块分析  26-31
    3.2.1 系统组成  26-27
    3.2.2 主控制系统  27-28
    3.2.3 偏航控制系统  28-29
    3.2.4 变频器控制系统  29
    3.2.5 变桨距控制系统  29-31
  3.3 兆瓦级风力发电机组的变桨距控制策略研究  31-33
    3.3.1 风机运行状态  31-32
    3.3.2 控制策略  32-33
  3.4 兆瓦级风力发电机组的变桨距系统的设计  33-38
    3.4.1 变桨距系统总体设计  33-34
    3.4.2 变桨距控制系统的可靠性设计  34-36
    3.4.3 变桨距系统中的伺服控制系统  36-37
    3.4.4 变桨距控制软件设计  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章 兆瓦级风力发电机组变桨距控制器实现  39-58
  4.1 变桨距控制器硬件实现  39-42
    4.1.1 总体结构  39
    4.1.2 嵌入式控制器  39-41
    4.1.3 伺服传动机构  41-42
  4.2 变桨距控制器软件实现  42-46
    4.2.1 总体结构  42-43
    4.2.2 风速与桨距角关系模块实现  43
    4.2.3 风速与变桨电机转速模块实现  43-44
    4.2.4 变桨电机转动方向模块实现  44-45
    4.2.5 驱动模块实现  45-46
  4.3 变桨距控制器仿真实验  46-57
    4.3.1 开发平台  46-47
    4.3.2 ARM板开发环境的建立  47-49
    4.3.3 Linux开发环境的建立  49-53
    4.3.4 实验分析  53-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章 总结与展望  58-59
参考文献  59-62
致谢  62-63
附录A 攻读硕士期间发表的论文  63-64
附录B 攻读学位期间参与的科研项目情况  64

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 风能、风力机械 > 风力机械和设备
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