风电机组变距变速控制系统仿真与安全性分析

摘要

从能源与经济的关系来看，经济的发展必然带来能量的大量消耗。目前，许多工业化国家的能源消耗已趋于稳定，但发展中国家的工业化进程中能源的大量消耗使得能源消耗总量增加，导致全球能耗平均值呈指数增长。持续的国际油价持续增长和日益突出的环境污染等问题迫切需要人类寻求可再生能源。风能作为可再生能源中的一种，以其清洁无污染及取之不尽用之不竭的突出优点，可再生能源发展的首选。从能源需求及能源危机的现状出发，论述了风电发展的必然性，同时对风电技术、风电机组控制技术、变桨距驱动装置安全性分析以及出力特性等几个方面进行分析。研究内容主要包括以下几个方面: (1)介绍了选题背景，以及全球范围内风电技术发展的趋势，并对仿真平台的选择和论文研究的主要内容做了简要介绍; (2)介绍了风力机的基础理论:对风力机空气动力学和变桨距控制过程进行了探讨，为系统的设计及控制策略的研究提供理论基础; (3)风电机组主要部分建模:建立了风速、风电机组、风机控制系统和变流器的模型。其中风电机组的数学模型主要包括风轮机模型、传动系统模型和异步发电机模型;控制系统模型包括发电机控制系统模型和机组变桨距控制系统模型;在模型的基础上对风电机组变距特性进行了分析:进行了动态仿真，功率解耦控制仿真以及低电压穿越仿真; (4)安全性分析部分:提出了一种基于概率分布原理的极端载荷计算的新方法，采用该方法与外推法方法分别对3MW直驱风电机组变桨距机构的极端载荷值进行计算，并对计算结果进行了对比分析，确定了变桨距执行机构设计载荷值参考方案，并在实例中对参考方案给出的额定值进行了验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 世界能源危机

1．1．2 我国能源危机

1．2 全球风电技术发展趋势

1．2．1 风电机组单机容量不断扩大

1．2．2 海上风电逐渐兴起

1．2．3 定桨距向变速变距发展

1．3 仿真平台的选择

1．4 论文的主要内容

第2章 风力机的基础理论

2．1 风机能量的转换过程

2．1．1 风能的计算

2．1．2 自由流场中的风轮

2．1．3 风力机的特性系数

2．2 桨叶的几何参数和空气动力特性

2．2．1 翼型的几何参数和气流角

2．2．2 桨叶上的作用力

2．2．3 弦线和法线方向上的气动力

2．3 风轮的气动力学

2．3．1 叶素理论

2．3．2 推力、转矩和功率的一般关系式

2．4 涡流理论

2．4．1 风轮的涡流系统

2．4．2 诱导速度的确定

2．4．3 轴向推力和转矩的计算

2．5 变桨距控制过程

2．6 本章小结

第3章 风电机组的建模

3．1 风电机组的总体模型

3．2 风模型

3．3 风电机组的建模

3．3．1 风轮建模

3．3．2 传动系统模型

3．3．3 双馈异步发电机模型

3．4 PWM变流器模型

3．5 控制系统的建模

3．5．1 发电机的控制系统建模

3．5．2 风电机组变桨距控制系统建模

3．6 本章小结

第4章 变距变速控制系统仿真

4．1 风电机组变距变速控制系统

4．1．1 变距变速控制的控制过程

4．1．2 变距变速控制系统

4．2 风电机组变距变速控制仿真

4．2．1 模型动态响应

4．2．2 风电机组变距变速控制系统仿真

4．3 本章小结

第5章 变桨距执行机构的安全性分析

5．1 变桨距执行机构安全性分析必要性

5．2 外推法确定极端载荷值

5．3 置信区间法极端载荷的计算

5．3．1 置信区间的概念

5．3．2 置信区间法极端载荷的计算

5．4 安全性分析的结论

5．5 参考方案的算例验证

5．6 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 工作展望

参考文献

附录

攻读硕士期间发表学术论文

致谢