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风力发电中变桨系统的设计与应用

作　者: 么继强
导　师: 顾战松；吴春庭
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制工程
关键词: 风力发电 变频技术 变桨距 伺服控制 PLC控制技术 现场总线
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着全球经济的发展和人口的增长,人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源因其使用便捷,可再生、成本低、无污染等特点,在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展,发展潜力巨大。特别是随着风力发电控制技术和伺服控制技术的迅猛发展。风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视,同时各国对变桨距风力机的设计、控制和运行已有完整的理论和方法,目前兆瓦级风力机已经是国际风电市场上的主流产品。随着风力发电机组大型化,智能化的发展,风力机必须具有较高的可靠性、风能利用系数和不断优化的输出功率曲线,变桨距技术随之产生。与定桨距控制技术相比,变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧,桨距角可以随风速的大小而自动调节,因而能够尽可能更多的吸收风能,同时在高风速段保持平稳的功率输出。本文从变速变桨距的要求出发,以3MW海上风机发电机组为例,介绍了海上风力发电机组变桨距控制理论。在空气动力学基础上,通过合理的假设,建立了系统的数学模型。依据叶素理论,通过对桨叶的空气动力学模型进行分析和计算,进行变桨距的调节。变桨系统采用BECKHOFF PLC为主控制器,PITCHMASTER伺服驱动器及交流伺服电机作为电动变桨距系统的执行机构。在分析伺服变桨距系统控制原理的基础上,设计了以伺服驱动器为核心的电动变桨距伺服控制系统,并在风场并网发电运行。同时设计了上位机模拟和监控软件及测试设备。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
符号说明  7-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外的研究及发展现状  12-14
  1.3 风力发电机组控制技术概述  14-16
    1.3.1 风力发电机定桨距控制技术  14
    1.3.2 风力发电机变桨距控制技术  14-16
  1.4 本课题的主要研究内容与意义  16-17
第二章 大型风力发电机变桨距控制理论  17-25
  2.1 风力发电机的基本组成部分  17-19
    2.1.1 风轮  17-18
    2.1.2 风力发电控制系统  18
    2.1.3 调速系统  18
    2.1.4 偏航系统  18-19
    2.1.5 增速器  19
    2.1.6 发电机  19
    2.1.7 双馈变流器  19
  2.2 风力机的空气动力学基本理论  19-24
    2.2.1 动量理论  19-21
    2.2.2 叶素理论  21-23
    2.2.3 风轮利用系数和贝兹极限  23-24
  2.3 变桨距风力发电机桨距角特性  24
  2.4 本章小结  24-25
第三章 风力发电变桨距控制策略与实现  25-29
  3.1 变桨距风力发电机组特点  25-26
    3.1.1 输出功率特性  25
    3.1.2 确保高风速段的额定功率  25-26
    3.1.3 在额定点具有较高的风能利用系数  26
    3.1.4 启动性能和制动性能  26
  3.2 变桨距控制系统运行状态  26-27
    3.2.1 风力发电机组并网前状态  26-27
    3.2.2 风力发电机组并网后状态  27
    3.2.3 风力发电机组脱网与停机  27
  3.3 变桨距控制原理及其策略  27-28
    3.3.1 变桨距风力机的控制策略  28
  3.4 本章小结  28-29
第四章 变桨控制系统硬件设计  29-44
  4.1 变桨控制系统组成  29-30
  4.2 变桨系统主控制器硬件设计  30-33
    4.2.1 变桨系统硬件选型和设计  31-32
    4.2.2 CPU 模块CX9000  32
    4.2.3 现场总线模块EL6731/6751  32
    4.2.4 数字量输入模块EL1008/EL2008  32-33
  4.3 变桨系统伺服驱动器硬件设计  33-36
    4.3.1 伺服驱动器的硬件设计要求  33
    4.3.2 伺服驱动器的硬件接口说明  33-35
    4.3.3 伺服驱动器内部结构图  35-36
  4.4 变桨系统伺服电机载荷计算和设计  36-43
    4.4.1 变桨系统电机负载计算  36-39
    4.4.2 变桨系统电机选型、设计、测试  39-43
  4.5 本章小结  43-44
第五章 变桨控制系统软件设计  44-90
  5.1 变桨控制系统软件设计要求及功能  44-48
    5.1.1 变桨系统的设计要求  44
    5.1.2 变桨控制系统功能  44-45
    5.1.3 变桨控制系统的几种工作模式  45-48
  5.2 变桨系统主控制器的软件设计  48-53
    5.2.1 变桨控制系统软件的整体架构  48-50
    5.2.2 变桨控制系统软件的组态  50-53
  5.3 变桨系统伺服驱动器功能设计和应用  53-61
    5.3.1 伺服驱动器应用功能设计  54-61
  5.4 变桨系统内部通讯和外部通讯接口的软件设计  61-78
    5.4.1 CANOPEN 总线的介绍  61-64
    5.4.2 PROFIBUS 总线的介绍  64-67
    5.4.3 变桨系统中CANOPEN 和PROFIBUS 总线软件设计  67-78
  5.5 风力发电变桨系统中PID 算法和应用  78-89
    5.5.1 PID 算法控制原理  78-81
    5.5.2 变桨系统中PID 算法的设计实现  81-89
  5.6 本章小结  89-90
第六章 变桨系统模拟测试与实验  90-95
  6.1 变桨系统模拟主控测试平台  90-92
  6.2 变桨系统软件模拟测试  92-95
第七章 总结与展望  95-96
  7.1 本论文工作总结  95
  7.2 课题展望  95-96
参考文献  96-99
致谢  99-100
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  100-102

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 发电机、大型发电机组（总论） > 风力发电机
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