大型风力发电机组电动变桨距控制的研究

摘要

本世纪以来，由于世界格局、经济形态、生态环境等方面发生了剧变，地球能源表现出新的特点与态势。社会经济高速发展造成的生态环境恶劣，加上石油能源的日益枯竭，使得作为新兴清洁能源的风力发电逐渐受到各国的关注。现代风电机组控制性能优良指标，大体可以分为三类：维持风力机安全稳定运行，获得高效风能利用率，提高发电机输出电能质量。风电机组系统变桨技术，由最初的定桨距失速控制发展到变桨距控制，是现代风电机组不可或缺的组成部分。
　　本文首先分析了兆瓦级风力发电机组的基本结构，然后从空气动力学的角度分析了风电机组能量转换过程。然后从风力机的风能吸收利用系数Cp、叶尖速比以及转矩系数CT入手，分析了风力发电机组对其变桨控制系统的总体要求，为后文变桨控制器的设计及变桨实验平台奠定了基础。通过SIMULINK搭建了电动变桨风力发电系统数学模型，通过确立语言变量、制作离散控制查询表等过程完成了风电机组变桨控制器的设计。将加入PID自整定控制器的风力发电系统仿真平台，与常规PID控制系统作对比。分析风电机组转矩和发电机功率输出误差绝对值积分，得出了其可以满足风电机组对变桨系统高稳定可靠性的要求。接着，对风电机组电动变桨系统电气结构进行了分析设计。首先分析了独立变桨距伺服控制系统结构，在电机选型与伺服控制策略上，对伺服执行机构系统进行了研究；随后对电控系统结构进行了分析，采用中央控制柜作为系统配电单元的形式，并根据本文实验平台特点在伺服驱动器与变桨主控制器之间选取合适的通讯总线。最后，在风电机组变桨距系统硬件平台的基础上进行实验，先对本文变桨主控制器BECKHOFF CX1010进行了组态及调试并配备了合适的功能模块；然后根据风电机组实际运行模式，模拟了上位风机主控，连接了变桨伺服执行机构。接着设计了变桨控制策略流程并编写了风电机组变桨控制程序，完成了配置组态及人机界面的开发。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外风力发电发展情况

1.3 风力发电控制技术的现状与发展

1.4 本文主要研究内容

第二章 风电机组基本理论和变桨控制技术

2.1 风力发电机组基本结构

2.2 风力机能量转换与特性系数分析

2.3 风力发电机组变桨方式

2.4 本章小结

第三章 风力发电机组变桨距控制的设计与研究

3.1变桨控制器引入

3.2 风电机组变桨距控制器设计

3.3 电机组电动变桨距系统建模

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第四章 风电机组电动变桨电气结构的分析设计

4.1 电动变桨距伺服系统结构

4.2 变桨交流伺服系统

4.3 电控系统结构优化设计

4.4 本章小结

第五章 风电机组电动变桨距控制的研究与实现

5.1 风电机组变桨控制硬件实现

5.2 风电机组变桨控制软件设计与实现

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果