大型风电机组变桨距系统设计及其智能控制方法研究

【摘要】： 能源与环境已成为21世纪人类面临的首要问题。风能因具有可再生、无污染、低成本等优点，正受到世界各国的重视。高效而可靠的风力发电系统的研究与开发已经成为能源技术领域的热点和难点。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，所以对风力发电机组尤其是大型机组控制技术的深入研究具有十分重要的现实意义。本文以国产兆瓦级风力发电机组为依托，对大型风力发电机组变桨距控制技术进行了较深入的探讨。 本文首先从风力机桨叶的空气动力学基本理论入手，分析出变桨距控制的基本规律；独立变桨是变桨距控制发展的必然趋势，参考国内外的相关资料，提出一种用于独立变桨距的液压系统设计方案，包括理论计算、原理图分析和液压部件选型等，并在Pro／Engineer中建立独立变桨距机构的三维模型，制作机构运转的动画；为研究变桨距系统的动态特性和控制规律，分析了风电机组各部分的数学模型，并在MATLAB／Simulink中建立相应的仿真模块。 智能控制技术越来越多地出现在工业控制领域。本文提出一种应用于统一变桨的模糊PID参数自整定控制器设计方案，并通过仿真证明模糊PID比常规PID具有更好的适应性和可靠性；另外，利用神经网络技术，提出一种基于来流角预测的独立变桨距控制策略，并通过仿真证明其可有效地减小桨叶的气动疲劳载荷，而且功率控制效果也优于统一变桨。 【关键词】：风力发电机组 变桨距控制 液压系统 统一变桨 独立变桨 来流角预测
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 国内外风力发电综述10-12
• 1.1.1 国外风力发电综述10-11
• 1.1.2 国内风力发电综述11-12
• 1.2 大型风力发电机组控制技术12-13
• 1.2.1 定桨距失速控制与变桨距控制12
• 1.2.2 恒速恒频技术与变速恒频技术12-13
• 1.2.3 常规 PID 控制与智能控制13
• 1.3 课题的主要意义及研究内容13-15
• 1.3.1 课题的主要意义13-14
• 1.3.2 课题的研究内容14-15
• 第二章 风力机原理与变桨距控制技术15-25
• 2.1 大型风力发电机组的基本结构15-16
• 2.2 风力机空气动力学基础16-21
• 2.2.1 风速的特性16-17
• 2.2.2 风力机桨叶的气动力17-19
• 2.2.3 风力机的功率与风能利用系数19-21
• 2.3 变桨距控制原理及控制过程21-24
• 2.3.1 统一变桨距控制22-24
• 2.3.2 独立变桨距控制24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 独立变桨距液压系统设计25-44
• 3.1 独立变桨距机构设计25-26
• 3.1.1 机构介绍25-26
• 3.1.2 运动分析26
• 3.2 变桨距载荷计算26-34
• 3.2.1 离心力分量产生的变桨距力矩 M_c27-32
• 3.2.2 气动力产生的变桨距力矩 M_a32-33
• 3.2.3 惯性变桨距力矩 M_i33-34
• 3.2.4 重力产生的变桨距力矩 M_g 及摩擦产生的变桨距力矩 M_f34
• 3.2.5 最大变桨距液压缸推力 F_(max)34
• 3.3 液压系统工作原理34-39
• 3.3.1 液压动力单元34-36
• 3.3.2 液压执行单元36-39
• 3.4 关键元器件选型及参数计算39-41
• 3.4.1 液压缸选型及参数计算39-40
• 3.4.2 电液比例换向阀选型及参数计算40
• 3.4.3 平衡阀选型及参数计算40
• 3.4.4 泵选型及参数计算40-41
• 3.5 独立变桨距机构的三维造型及动画制作41-43
• 3.5.1 零部件建模与装配42-43
• 3.5.2 变桨距机构工作过程动画制作43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 大型风力发电机组模型搭建44-53
• 4.1 风轮气动模型44-45
• 4.2 变桨距系统模型45-48
• 4.2.1 液压阀的模型45-46
• 4.2.2 液压缸的模型46-48
• 4.3 机械传动系统模型48-50
• 4.4 异步发电机模型50-52
• 4.5 检测装置模型52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 模糊 PID 在统一变桨距控制系统中的应用53-62
• 5.1 PID 控制与模糊控制概述53-55
• 5.1.1 PID控制概述53-54
• 5.1.2 模糊控制概述54-55
• 5.2 模糊 PID 功率控制器的设计55-59
• 5.2.1 PID 参数整定规则55-56
• 5.2.2 模糊化56-57
• 5.2.3 模糊控制规则57
• 5.2.4 模糊推理及模糊控制查询表57-59
• 5.3 统一变桨距功率控制仿真59-61
• 5.3.1 模糊 PID与常规 PID控制效果比较60-61
• 5.3.2 随机风速输入的统一变桨距功率控制仿真61
• 5.4 本章小结61-62
• 第六章 神经网络技术在独立变桨距控制系统中的应用62-72
• 6.1 神经网络技术概述62-64
• 6.2 基于来流角预测的独立变桨距控制策略64-67
• 6.2.1 大型风力发电机组桨叶气动载荷疲劳64
• 6.2.2 轴向气动力与桨叶来流角64-67
• 6.3 基于来流角预测的独立变桨距控制仿真67-71
• 6.3.1 BP神经网络设计67-69
• 6.3.2 独立变桨距控制仿真及结果分析69-71
• 6.4 本章小结71-72
• 第七章 结论72-73
• 参考文献73-76
• 发表论文和参加科研情况说明76-77
• 附录77-82
• 谢辞82

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