兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统研究

摘要

风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁绿色能源，越来越受到全世界的重视。变桨距风力机以其能最大限度地捕获风能、输出功率平稳等优点，日益成为风力机的主流机型。变桨距系统是兆瓦级风力发电机组的关键技术之一，本文对变桨距液压控制系统进行了较为全面的理论分析和试验研究。 首先简述了风力发电机组的工作原理，介绍了定桨距和变桨距风力发电机组的特点。综述了国内外风力发电的现状和发展趋势。阐述了课题的研究意义，并提出了本文的主要研究内容。在空气动力学分析的基础上，推导出变桨距风力机变速恒频控制的理论基础，并通过对变桨距风力机进行数学建模和仿真，最终验证理论分析的正确性。 针对国内传统的依靠曲柄机构驱动桨叶旋转的统一变桨方式，本文提出了独立液压变桨距控制，设计了变桨距执行机构。对桨叶变距驱动力、液压系统负载力和流量进行了计算。在此基础上，设计了变桨距液压控制系统，对液压系统的工作原理和各种工况下油液循环路线进行了详细说明，并对主要液压元件进行了选型。根据该液压系统在开桨和关桨时油液循环回路不同的特点，分别建立了开桨和关桨两个过程的系统线性控制数学模型。采用PID控制器构建了变桨距闭环控制系统，并进行了仿真研究。 根据现有条件，对液压变桨控制系统进行了地面加载试验，包括正常运动控制试验、紧急顺桨试验、闭环控制试验、控制精度试验和速度控制试验。试验结果验证了系统设计的正确性和仿真模型的合理性。所设计的液压变桨距控制系统能够满足变桨距风力机对桨距角精确快速的控制要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2风力发电机组简介

1.2.1风力发电机组的原理和组成

1.2.2定桨距和变桨距风力发电机组

1.3国内外风电发展现状和趋势

1.3.1世界风电发展现状

1.3.2国内风电发展现状

1.3.3风力发电的发展趋势

1.4选题意义及主要研究内容

1.4.1选题意义

1.4.2主要研究内容

第二章风力发电机变桨距控制理论研究

2.1空气动力学分析

2.1.1 风能的计算

2.1.2自由流中的风轮

2.1.3风力机的特性系数

2.2变桨距风力机控制过程研究

2.3变桨距风力机动态建模与仿真

2.3.1风速模型

2.3.2风轮模型

2.3.3传动链模型

2.3.4风速廓线和塔影效应模型

2.3.5桨距控制器模型

2.3.6系统建模

2.3.7变桨距控制系统仿真

2.4小结

第三章风力发电机组液压变桨距系统执行机构设计和计算

3.1变桨距执行机构选择和设计

3.1.1电动变桨距执行机构

3.1.2液压变桨距执行机构

3.2变桨距机构受力分析和计算

3.2.1桨叶驱动力计算

3.2.2液压系统负载力计算

3.3液压系统流量计算

3.4小结

第四章风力发电机组液压变桨距控制系统

4.1比例控制技术

4.2液压变桨距控制

4.3液压变桨距控制系统设计

4.3.1设计要求

4.3.2电液比例液压控制系统

4.4液压系统关键元件选型

4.4.1液压泵的选择

4.4.2液压泵电机的选择

4.4.3油箱的选择

4.4.4紧急顺桨蓄能器的选择

4.4.5比例阀的选择

4.4.6其他元件

4.5小结

第五章液压变桨距控制系统动态建模及仿真分析

5.1液压变桨距闭环控制系统的动态数学模型

5.1.1关桨过程的液压缸-负载传递函数

5.1.2开桨过程的液压缸-负载传递函数

5.1.3比例放大器的传递函数

5.1.4比例阀的传递函数

5.1.5位移传感器的传递函数

5.2液压变桨距位置控制系统的传递函数

5.2.1系统基本参数的确定和计算

5.2.2比例阀传递函数计算

5.2.3关桨过程的系统传递函数计算

5.2.4开桨过程的系统传递函数计算

5.3液压变桨距控制系统的动态特性和稳定性分析

5.3.1基于Matlab／Simulink的系统仿真分析

5.3.2系统稳定性分析

5.4液压变桨距控制系统PID控制及仿真分析

5.4.1常规PID控制基本原理

5.4.2变桨距控制系统PID控制仿真

5.4.3变桨距控制系统离散PID控制仿真

5.5小结

第六章液压变桨距控制系统地面加载试验

6.1液压变桨距控制试验系统介绍

6.2试验方案

6.2.1 正常运动控制试验

6.2.2紧急顺桨试验

6.2.3闭环控制试验

6.2.4控制精度试验

6.2.5速度控制试验

6.3试验结果

6.4小结

第七章总结与展望

7.1研究工作总结

7.2工作展望

致谢

参考文献

附录： 作者在攻读硕士学位期间发表的论文