基于颤振抑制的大型风力发电机液压变桨系统控制

摘要

风力机叶片在气动力和弹性力的耦合作用下会发生颤振，颤振会对叶片造成结构性破坏，因此抑制叶片的颤振已成为目前的研究热点。在研究中发现，现有的变桨距控制系统大多以获得更高的风能利用率为目的，但是却忽略了对叶片的防护，同时也使风力机发生故障的概率提高。为解决上述问题，本文提出了一种全新的液压变桨距系统控制方案，根据风速变化实时调节叶片的桨距角，起到保护叶片的目的。研究内容如下：
　　风力机叶片的气动弹性稳定性分析。基于ONERA气动力模型，建立叶片的非线性气弹方程；利用时域分析法分别分析风速和桨距角发生变化对叶片气弹模型稳定性的影响，利用MATLAB软件对系统进行仿真，确定叶片稳定性的变化规律和颤振边界条件。仿真结果表明风速、变桨角变化都会改变叶片的振动形式。
　　叶片液压变桨距系统的设计和控制策略的研究。设计液压变桨距系统，对液压系统各个工况的油路进行详尽的分析；通过对液压系统的负载力及流量的计算，完成关键组件的选型；建立液压变桨距系统和风力机其他部件的数学模型，并在Simulink环境中搭建仿真模块；分别加入最优PID控制器、模糊控制器和模糊PID控制器进行校正。仿真结果表明模糊PID控制器的控制效果最优。
　　叶片液压变桨距的PLC控制系统的设计。分析控制系统的总体架构，对关键技术问题进行探讨并设计控制系统的软硬件部分：硬件设计方面包括硬件结构规划、硬件选型、I/O口分配和硬件接线；软件设计方面以模糊PID算法在PLC中的实现问题为重点，包括设计控制流程、编写控制程序和建立人机界面。
　　基于OPC通讯的风力发电机变桨距控制系统半实物仿真实验平台的搭建。在先前工作的基础上，确定总体实验方案；通过实现PLC、MATLAB、Kingview之间的OPC通讯，完成实验平台的设计；最后对变桨距控制系统的运行状况进行了测试试验。实验验证了仿真结果是准确的并且证明了控制方法是可行的。

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摘要

ABSTRACT

CONTENTS

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 风力机叶片非线性失速气弹挥舞-摆振稳定性分析

2.1 ONERA 气动力模型

2.2 气弹稳定性分析

2.3 仿真结果分析与讨论

2.4 本章小结

3 风力机叶片液压变桨距系统的设计

3.1 风力发电机变桨距控制基本原理

3.2 液压变桨距系统设计

3.3 系统仿真模型建立

3.4 本章小结

4 风力机叶片液压变桨距系统的控制策略

4.1 最优PID 控制器的设计

4.2 模糊控制器的设计

4.3 模糊PID 控制器的设计

4.4 控制效果综合分析与比较

4.5 本章小结

5 基于PLC 的变桨距自动控制系统的设计

5.1 控制方案设计

5.2 变桨距控制系统硬件实现

5.3 控制系统关键技术研究

5.4 变桨距控制系统软件实现

5.5 组态人机界面设计

5.6 本章小结

6 半实物仿真实验平台

6.1 实验平台控制方案

6.2 实验过程设计

6.3 实验结果分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录Ⅰ

附录Ⅱ

致谢

攻读硕士期间从事科学研究和发表论文情况