大型风力发电机组变桨距控制系统研究

摘要

现代工业的发展带来了巨大的能源消耗和严重的环境污染，传统能源日益萎缩枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用可再生的绿色能源。风力发电作为可再生能源发电技术的一种重要形式，在能源供给中的比例正在逐步提高。随着风力发电机组的容量不断提高，风力机的尺寸不断增加，如何提高输出功率的稳定性、减小风机载荷成为众多科研院所研究的重点。针对以上问题，本文选用主流的双馈型变桨距大型风力发电机设计了三维模糊独立变桨距控制系统，通过MATLAB软件搭建风力发电机组的仿真模型验证该控制方案的合理性，达到了改善风机输出功率稳定性减小载荷的目的。
　　本文首先介绍了风力发电的发展和风电技术的发展，提出变桨控制技术。以风力发电机组的组成、工作原理、变桨原理和空气动力学为基础，研究变桨距风力发电机组各子系统数学模型。设计传统PID控制器和各子系统模型建立统一PID变桨距控制系统的Matlab仿真模型，通过仿真验证能够实现风力发电机组的变桨控制。为减小风机载荷，在确保PID统一变桨距系统可以稳定输出功率的基础上建立基于桨叶方位角的权系数分配的PID独立变桨距系统的Matlab仿真模型。通过与统一变桨距控制方法的仿真结果对比显示出独立变桨距在减小桨叶载荷方面的巨大优势。传统的PID控制对于风力发电机组这种具有很强的非线性又难以建模的工程问题的控制效果不是很理想，因此本文提出改进的三维模糊控制方案以提高系统的功率控制精度。通过模糊独立变桨距控制系统与三维模糊独立变桨距控制系统的仿真对比，表明改进的三维模糊控制方案是可行的。在保证桨叶载荷有所减小的情况下，有效地提高了独立变桨距控制系统的输出功率的稳定性。仿真证明改进的三维模糊独立变桨距风力发电系统达到了提高系统输出功率稳定性和减小风机载荷的目的，为风力发电机组向更大型化发展提供了可能性保证了风机的安全运行。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 世界风电发展

1．2．1 国外风机现状

1．2．2 国内风机现状

1．2．3 风力发电发展趋势

1．3 风电技术的发展

1．4 论文研究的主要内容

1．5 本章小结

2 风力发电机理论基础和控制技术

2．1 风力发电机组的结构及其基本工作原理

2．2 风力发电机空气动力学基础

2．2．1 风能功率

2．2．2 动量理论及贝兹理论

2．2．3 风力发电机的特性参数

2．3 风力发电机变桨距控制

2．3．1 风力发电机变桨距控制

2．3．2 变桨距系统结构及工作原理

2．3．3 变桨距控制过程分析

2．3．4 变桨距执行机构

2．4 风力发电机组载荷

2．5 本章小结

3 变桨距风力发电机组的分析与建模

3．1 桨叶受力分析

3．1．1 桨叶静止受力

3．1．2 桨叶转动受力

3．2 风速特性分析

3．2．1 风切变效应

3．2．2 塔影效应

3．2．3 不同叶片的风速

3．3 风力发电机组建模

3．3．1 风轮模型

3．3．2 传动系统模型

3．3．3 风力发电机模型

3．3．4 电动变桨执行机构简化模型

3．3．5 PID控制器工作原理

3．4 风力发电机组统一变桨距仿真

3．5 本章小结

4 独立变桨距控制系统分析

4．1 独立变桨距系统及分析

4．2 基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨距控制

4．2．1 桨叶方位角分析

4．2．2 桨叶方位角权系数分配

4．3 控制策略研究概述

4．3．1 传统控制算法

4．3．2 智能控制算法

4．4 模糊控制器

4．5 本章小结

5 三维模糊独立变桨距控制算法

5．1 模糊控制器的分析

5．2 模糊控制器的结构分析

5．3 三维模糊控制器

5．3．1 常规三维模糊控制器

5．3．2 改进的三维模糊控制器

5．4 改进的三维模糊控制器的设计

5．5 三维模糊控制器性能分析

5．6 本章小结

6 三维模糊独立变桨距控制仿真

6．1 风资源模型

6．1．1 风速模型的建立

6．1．2 风速仿真

6．2 独立变桨距系统仿真结果及分析

6．3 模糊控制器在独立变桨距风机中的应用

6．3．1 二维模糊控制器的应用

6．3．2 三维模糊控制器的应用

6．4 三维模糊独立变桨距的仿真

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 展望

参考文献

作者简历

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