大型风力发电机组偏航模糊控制系统的设计

摘要

风能是一种清洁无污染、储量极为丰富的可再生能源，风力发电是风能利用最重要的形式。我国风电发展较晚，技术相对比较落后，但是近几年发展十分迅速，2MW的风力发电机组早已量产。但是目前风力发电的成本一直居高不下，制约了我国风力发电发展。一方面是由于风力发电机组电控系统的设计水平不高，另一方面是因为风力发电多为定桨距的小功率机组，发电效率低。而如何提高风电机组发电效率成为了国内外专家一直为之努力的关键问题。研制开发具有自主知识产权的控制系统势在必行，具有重大经济和社会意义。
　　模糊控制是一种有效控制策略，尤其针对难以建立精确数学模型，因此本文研究机组建模和模糊控制理论在大型风力发电系统偏航控制中的应用。
　　首先，介绍了大型风力发电系统的基本结构和风力机的基础理论，详细阐述了包括机组的塔架、风力机、发电机、控制系统、传动装置、偏航系统、变桨系统等部分的结构与功能。
　　其次，针对系统特点，阐述包括自动偏航、90°侧风、自动解缆及人工偏航的偏航控制系统功能及原理。并结合风向的测量与偏航角度、方向的计算，把风向信号作为偏航控制系统的输入，根据控制功能的需求编写相应程序流程图，从而为搭建偏航系统、实现风力机偏航智能控制提供了理论支撑。
　　最后，本文针对风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，提出以模糊控制理论为基础的模糊控制器作为主控制器的控制方案，在系统阐述模糊控制组成、原理以及模糊控制器的设计方法的基础上，完成了包括各个控制模块的选型、结合相应子程序流程图的系统总体结构设计。同时设计了单片机的软硬件系统来驱动偏航电机。并通过与常规PID控制的MATLAB仿真比较，表明了该控制器符合系统的实际情况，能降低超调量，明显减少振荡，能达到系统要求的稳态精度，整体控制性能更好，最终提高了风能的利用效率和风力机组捕获风能的能力，是一种较为理想的控制方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外风力发电发展概况

1．3 风力发电系统控制方法研究综述

1．4 本文研究的主要内容

第2章 风力发电系统结构及运行

2．1 风电机组基本结构

2．1．1 塔架

2．1．2 风力机

2．1．3 发电机

2．1．4 控制系统

2．1．5 传动系统

2．1．6 偏航系统

2．1．7 变桨系统

2．2 风力发电机组的运行方式

2．2．1 单机运行方式

2．2．2 组合运行方式

2．2．3 并网运行方式

2．3 风力发电机的分类

2．3．1 定桨距风电机组与笼型感应发电机

2．3．2 变速恒频风电机组与同步发电机

2．3．3 变速恒频风力发电机组与双馈(绕线转子)风力发电机

2．4 风力发电机组功率调节方式

2．5 风力发电系统空气动力特性

2．5．1 风轮利用系数

2．5．2 叶片受力分析

2．6 本章小结

第3章 模糊控制原理及控制器设计方法

3．1 模糊控制的组成及原理

3．1．1 模糊控制系统组成

3．1．2 模糊控制的基本原理

3．1．3 模糊控制主要特点

3．2 模糊控制器的设计

3．2．1 模糊语言变量的确定

3．2．2 语言值隶属度函数的确定

3．2．3 模糊控制规则的确定

3．2．4 模糊推理

3．2．5 反模糊化

3．2．6 论域、量化及比例因子的确定

3．3 本章小结

第4章 偏航模糊控制器的设计

4．1 偏航系统的工作原理

4．2 偏航控制系统的功能及其实现流程

4．2．1 自动偏航控制

4．2．2 90°侧风控制

4．2．3 自动解缆控制

4．2．4 人工偏航控制

4．2．5 风向的测量

4．2．6 偏航角度和方向

4．3 偏航模糊控制系统硬件设计

4．3．1 硬件系统总体结构

4．3．2 系统主电路设计

4．3．3 接口任务分配

4．3．4 硬件抗干扰设计

4．4 偏航模糊控制系统软件设计

4．4．1 模糊控制器的设计

4．4．2 软件控制流程图

4．4．3 偏航模糊控制系统的设计与MATLAB仿真

4．4．4 基于模糊控制和功率控制的风电偏航系统的研究与仿真

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢