直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)號(hào)業(yè)設(shè)計(jì)題目： 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者 李炳男 屆 別 2015 屆 系 別 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師 郭洪澈 職 稱 副教授 完成時(shí)間 2015 年 5 月 17 日 摘要現(xiàn)在，市場上應(yīng)用最好的就是采用獨(dú)立變槳距控制的發(fā)電機(jī)組，它最主要的特點(diǎn)就是能夠用風(fēng)力機(jī)葉片軸心處的風(fēng)俗對(duì)各個(gè)葉片進(jìn)行同步控制。但是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量在增長中，所以風(fēng)力機(jī)的葉片也會(huì)越來越長，因此風(fēng)力機(jī)上的葉片載荷會(huì)越來越大，而實(shí)際上，由于與地面之間會(huì)存在摩擦，而且風(fēng)速也會(huì)隨著高度的變化而變化，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪掃略的風(fēng)速隨著高度的變化而變化，這些個(gè)問題都會(huì)影響到風(fēng)力機(jī)的使用壽命。本文將會(huì)使風(fēng)力機(jī)的獨(dú)立變槳距控制部分分成兩個(gè)部分：一部分是集中變槳距控制的部分；第二部分是修正變槳距控制部分。本文采用非線性 PID 控制來對(duì)集中變槳距控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率始終維持在一定的范圍內(nèi)；再通過采用狀態(tài)反饋控制以及極點(diǎn)配置的方法來設(shè)計(jì)修正變槳距控制器，來減小風(fēng)力機(jī)葉片上的載荷。然后，通過把各個(gè)葉片上的集中變槳距角和修正變槳距角之和來作為葉片的獨(dú)立變槳距角輸入風(fēng)力機(jī)，這樣便可以對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行控制。我們在階躍的風(fēng)速和隨機(jī)的風(fēng)速下對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字仿真的研究，結(jié)果表明獨(dú)立變槳距控制能夠減少風(fēng)力機(jī)葉片上的載荷，從而有助于增加風(fēng)力機(jī)的使用壽命，而且具有非常好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)誤差。狀態(tài)反饋在風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)位置具有非常好的調(diào)節(jié)作用，但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性需要非常高的要求時(shí)，基于狀態(tài)反饋的獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就難以達(dá)到要求。關(guān)鍵詞：變槳距；節(jié)距角；發(fā)電機(jī)AbstractAt present ,variable pitch control with turbine is widespread in the market. This wind turbine uses the wind speed on the axis of the blade as the reference wind speed of wind blade synchronous control. In fact , because of the existing of ground friction,the wind speed if changing with the height and the wind speed in the surface of revolution of the wind blades. With the increasing of the wind turbine capacity,the difference of the blade wind speed with different spin high degree is gradually increasing,making the loads of the blades tend to gradually increase,this problem has seriously affected the wind turbine life.The state feedback control has a good regulating effect in the vicinity of a wind turbine stable point,but if the system is required relatively high of dynamic performance, it is difficult for the independent variable pitch control based on the feedback to achieve the design intention.The amended pitch plus the collective pitch is the independent pitch. Through the simulation of the wind turbine under the step and the random wind ,it follows that the independent variable pitch control of wind power generation system can reduce the loads of blade and extend service life of wind turbine, on condition that the output power is kept stable .Keywords: Variable pitch ；Pitch Angle； generator目錄摘要 .第一章 緒論 .11.1 選題的背景、目的及意義 .11.2 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .31.2.1 世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r .41.2.2 我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r .41.2.3 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢 .5第二章 變槳距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .72.1 變槳距控制原理及控制過程 .82.2 統(tǒng)一變槳距功率控制 .10第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制 .113.1 風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) .113.2 風(fēng)力機(jī)槳葉的氣動(dòng)力 .123.3 風(fēng)力 .13第四章 基于反饋的獨(dú)立變槳距控制器 .144.1 基于狀態(tài)反饋的風(fēng)力機(jī)獨(dú)立變槳距控制 .154.2 非線性 PID 控制器 .164.3 基于極點(diǎn)配置的狀態(tài)反饋控制器 .164.4 集中變槳距控制器設(shè)計(jì) .16第五章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .185.1 控制系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì) .185.2 控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn) .205.3 控制系統(tǒng)的結(jié)論分析 .24第六章 結(jié)論與展望 .25參考文獻(xiàn) .24致謝 .27第一章 緒論1.1 選題的背景、目的及意義在現(xiàn)代社會(huì)，我們的經(jīng)濟(jì)建設(shè)離不開能源。能源的利用與開發(fā)是我們非常關(guān)心的問題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求日益增大，同時(shí)也產(chǎn)生了越來越多的環(huán)境問題，如大氣污染、水環(huán)境惡化與礦物質(zhì)能源的枯竭等。這些問題給人們的發(fā)展提出了很多新的問題，也給人們的發(fā)展提出了新的要求，從而使人們越來越關(guān)注于可再生能源的開發(fā)與利用，越來越多的科技工作者開始研究可再生資源的開發(fā)。因此，改變能源結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)可再生能源，減輕環(huán)境污染，提高人們的生活水平等已經(jīng)成為現(xiàn)代能源發(fā)展的必經(jīng)之路。而風(fēng)力發(fā)電正是人們通過大氣環(huán)流的過程將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，是重要的一種發(fā)電形式，為可再生能源。隨著社會(huì)的發(fā)展和革新，傳統(tǒng)的能源已經(jīng)越來越不能滿足人們對(duì)額要求，并且傳統(tǒng)的能源物質(zhì)伴隨著有環(huán)境污染等現(xiàn)象。尤其是煤炭、石油等能源每年都在不斷的減少，不僅加劇了能源危機(jī)，并且容易引發(fā)各個(gè)國家或者地區(qū)之間的紛爭，導(dǎo)致鄰國之間發(fā)生戰(zhàn)爭。因此，從人類的可持續(xù)發(fā)展的過程來看，我們十分有必要去加強(qiáng)對(duì)于可再生能源的開發(fā)與利用。因而，在近些年來，潔凈的可再生資源的到越來越多的國家政府部門的重視。從20世紀(jì)80年代開始世界能源危機(jī)以來，各國之間就開始加強(qiáng)國家間的相互合作，投入了大量的人力、物力和財(cái)力，來開發(fā)和研究新能源和可再生能源的利用。無論是太陽能、風(fēng)能、潮汐能等各個(gè)方面都取得了突破性的進(jìn)展。其中又以風(fēng)能領(lǐng)域的研究突破最大。眾所周知，風(fēng)能是一種沒有污染的能源之一，取值不盡，用之不竭。對(duì)于一些缺水、缺能源和交通不方便的牧區(qū)、島嶼、高原地帶等，這些地方的風(fēng)力資源都比較豐厚，具有非常大的開采潛能，非常適合風(fēng)能的開采利用，同時(shí)又能夠解決該地區(qū)能源短缺的問題，大有可為。風(fēng)能的利用是通過將風(fēng)能的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這樣就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能發(fā)電。通過在地面上安裝幾臺(tái)或者幾十臺(tái)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，然后將他們并聯(lián)在一起，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的控制，并網(wǎng)發(fā)電，為電網(wǎng)供電的這種電能利用的方式我們成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。大體上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為三部分：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和鐵塔。大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能的主要方式是風(fēng)能發(fā)電，這也是世界上現(xiàn)在的一種主要的發(fā)展趨勢。我國目前所具有的風(fēng)能資源非常的豐富，而且發(fā)展的潛力非常大。據(jù)了解，我國目前所具有的風(fēng)能資源總量為32億 MW，可開發(fā)利用的風(fēng)能總共有13億 MW。其中，陸地上的風(fēng)能占有量為2億 kW，海上的風(fēng)能儲(chǔ)量為11億 kW。在2009年底，我國的風(fēng)力裝機(jī)的總量已經(jīng)達(dá)6億 kW。自20世紀(jì)90年代以來，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量的總規(guī)模從1990年的20MW 發(fā)展到了目前200年底的490MW。雖然我國的裝機(jī)規(guī)模非常高，但相比于美國等發(fā)達(dá)國家而言，我國的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美強(qiáng)國，沒有達(dá)到發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)。由于我國存在地區(qū)發(fā)展差異，而且有不同的市場原因和管理方面的問題，因此，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展非常緩慢。隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家在風(fēng)力發(fā)電方面的投入不斷的加大，投入大量的精力，把開發(fā)可再生的綠色資源放在國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先地位。據(jù)目前的了解，風(fēng)能是已知的最清潔的新能源，也是一種非常好的可再生資源，這將為我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供一個(gè)非常好的發(fā)展平臺(tái)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和裝置通常都要求被放在位置比較遠(yuǎn)的郊區(qū)、島嶼、荒漠地區(qū)，因此，對(duì)于其中存在的技術(shù)問題、運(yùn)行過程及管理過程都存在著很大的問題。與火力發(fā)電、核電不同，風(fēng)力發(fā)電的單機(jī)容量相對(duì)較小，占用的面積非常大，而且比較難監(jiān)控，一旦發(fā)生事故，維修起來也比較麻煩，因此，為了保證每一個(gè)風(fēng)電場都能夠正常的運(yùn)行，就需要研發(fā)質(zhì)量可靠的，性能優(yōu)異的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)就是風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這也是風(fēng)力機(jī)組能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大體可以分為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和鐵塔三個(gè)部分。風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一個(gè)非常重要的部件 ，它是由三只螺旋槳葉組成的。當(dāng)風(fēng)吹向螺旋槳葉是，根據(jù)氣動(dòng)理論，螺旋槳葉由于受力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這里對(duì)于螺旋槳葉的要求非常高，要求強(qiáng)度要高，但是質(zhì)量要小，目前采用最多的就是玻璃鋼和其他的復(fù)合材料來制造。由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)速的大小和方向經(jīng)常改變，所以這使的風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)之前，一定要將附帶的一個(gè)風(fēng)輪提高到額定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再通過增加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)來使得轉(zhuǎn)速維持在一定的范圍內(nèi)，然后我們再將他們連接到發(fā)動(dòng)機(jī)上。為了保持風(fēng)輪能夠獲得一個(gè)較大的功率，我們在風(fēng)輪的背面還需要加裝一個(gè)尾舵。鐵塔是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪、尾舵以及發(fā)電機(jī)的構(gòu)架。因此，它一般都會(huì)修的非常高，目的就是為了能夠獲得較大而且均勻的風(fēng)力，而且需要足夠的強(qiáng)度。另外，鐵塔的高度會(huì)視地面障礙物的高度來影響風(fēng)速的情況。發(fā)電機(jī)的作用就是把風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到一定的狀態(tài)。然后通過升速傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)來使得風(fēng)力機(jī)能夠均勻的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而能夠使得機(jī)械能能夠轉(zhuǎn)變成電能。對(duì)于不同的機(jī)型，每一種機(jī)型的控制系統(tǒng)都是不一樣的，都需要有相應(yīng)的一套軟硬件設(shè)備。傳統(tǒng)的都是基于普通的 PID 控制的系統(tǒng)相應(yīng)的都非常具有缺憾，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠繼續(xù)發(fā)展的不絕的動(dòng)力。變速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)已經(jīng)得到研發(fā)部門級(jí)社會(huì)的認(rèn)可，不久的將來將會(huì)成為主流機(jī)型。但是如果它自己要想通過自身的調(diào)節(jié)達(dá)到減小風(fēng)速波動(dòng)沖擊的目的是非常難的。由于在自然界的風(fēng)的方向是不定向的，尤其是在額定的風(fēng)速的條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有可能產(chǎn)生很大的靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的沖擊。變槳距所指的是借助于控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)，通過改變安裝在風(fēng)力機(jī)組上葉片的槳距角的大小，從而來改變風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，改善風(fēng)力機(jī)組的受力狀況。本文所要研究的問題是在電動(dòng)變槳距控制的條件下，如何是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制更加方便，更加可靠。我們采取兩種不同的控制方式相互貫通的方法，從而實(shí)現(xiàn)有效的管理，使得各個(gè)投資及管理方面都能夠得到很好的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控、遠(yuǎn)程的統(tǒng)一監(jiān)控。一旦這種控制系統(tǒng)通過科研實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，風(fēng)力場的運(yùn)行可以不受傳統(tǒng)的風(fēng)力控制系統(tǒng)的限制，并且該種控制系統(tǒng)可以節(jié)約成本，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)利益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，為人類提供源源不決的能源。1.2 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢綜合國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電的情況，我們知道美國在1941年研制并建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電能力為1500kW，在當(dāng)時(shí)來說已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)偉大的成就了。到了70年代的時(shí)候，世界上的許多國家都開始研究并且生產(chǎn)大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展在世界上迅速的發(fā)展，而且進(jìn)步的速度讓人驚嘆。計(jì)算表明，我們只需要利用地面風(fēng)力的1% ，就能夠滿足當(dāng)時(shí)全世界的用電量。由此可知，風(fēng)力是一個(gè)非常大的能源寶庫。1.2.1世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的較快的國家主要有美國、澳大利亞、加拿大和日本等，到2009年底，全球已經(jīng)有700萬的用戶開始使用綠色能源。在2005年，我國也在可再生能源的建設(shè)上取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)出臺(tái)了可再生資源法，法律出臺(tái)后使我國成為第六個(gè)實(shí)施可再生能源發(fā)電的發(fā)展中國家。盡管到達(dá)地球的太陽能僅有2%的轉(zhuǎn)化為了風(fēng)能，但是這2%的風(fēng)能就足以滿足全世界的能源供應(yīng)，可利用的風(fēng)能達(dá)到27000MW，總的 發(fā)電量為13000MW。經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算預(yù)計(jì)到2019年，全世界的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)總量將會(huì)達(dá)到1900000MW,年發(fā)電量將達(dá)到整個(gè)世界電量需求的23%。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為各個(gè)國家爭先發(fā)展的新型能源。據(jù)了解，歐洲的風(fēng)力發(fā)電的總量已經(jīng)相當(dāng)于35座核電站的發(fā)電量。1.2.2我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r我國的風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但是發(fā)展速度相當(dāng)快。2005年，可再生能源法被我國立法機(jī)關(guān)審查通過，法律明確的指出了有關(guān)風(fēng)能、太陽能等均為可再生能源，并且確定了我國以后的能源的發(fā)展目標(biāo)，即優(yōu)先發(fā)展可再生能源等清潔能源，將可再生能源的發(fā)放在優(yōu)先地位，尤其強(qiáng)調(diào)風(fēng)能的重要性，風(fēng)力發(fā)電是一種非常方便而且有效利用的能源。我國確定了節(jié)能減排的目標(biāo)，相應(yīng)的要大量減少火力發(fā)電，減少煤、石油、天然氣的使用量。為了減少二氧化碳的排放量，國家加強(qiáng)可再生能源與核能，并且制定了關(guān)于2020年要求的將非石化能源占有一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右，使二氧化碳的排放量價(jià)低到40%-45%左右。同時(shí)，國家出臺(tái)了很多的國家戰(zhàn)略，使得風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速，同時(shí)，也使的我國的經(jīng)濟(jì)走上了一個(gè)新的臺(tái)階。我國的風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入商業(yè)化的時(shí)間是上世紀(jì)80年代，經(jīng)過了30年的高速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入黃金時(shí)期，進(jìn)入了一個(gè)高速的跨越式的發(fā)展階段，預(yù)計(jì)到2015年我國的風(fēng)力發(fā)電總量有望突破7000萬 kW。到2009年底，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)躋身世界第二了。我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程同我國其他先進(jìn)科技技術(shù)的發(fā)展過程一樣，采取引進(jìn)、消化吸收，再自主創(chuàng)新的模式。我國目前最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量是5MW，使得我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組邁向兆瓦級(jí)的發(fā)展階段。與此相比而言，我國的風(fēng)力機(jī)組的很多的零部件仍需要從國外進(jìn)口，由于相關(guān)的技術(shù)還不成熟，譬如說變流器、主軸承等。所以，我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展還有很長的一段路要走，各種技術(shù)難題還需要各個(gè)專業(yè)的人才一起努力共同進(jìn)行研究，需要我們在裝備制造業(yè)上加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)風(fēng)力機(jī)核心技術(shù)的公關(guān)，特別是技術(shù)設(shè)備，這些都需要單獨(dú)的設(shè)立項(xiàng)目進(jìn)行攻關(guān)。1.2.3發(fā)展趨勢1.大型化現(xiàn)在在整個(gè)世界來說，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)來說成熟了，但是還存在著一些改進(jìn)的方面。未來的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將向著越來越大的方向發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率也將相應(yīng)的越來越大，同時(shí)制造成本也會(huì)相應(yīng)的加大，運(yùn)輸與安裝的難度也會(huì)越來越難，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等級(jí)絕大部分將是 MW 級(jí)。2.變槳距技術(shù)現(xiàn)在世界上所使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是兆瓦級(jí)別的，這些投入商業(yè)運(yùn)營的發(fā)電機(jī)都是采用了變槳距技術(shù)，有變頻技術(shù)的配合，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和電能的質(zhì)量都有了非常大的提高，能夠使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在各種的環(huán)境下都能夠最大限度的利用風(fēng)能，得到更多的電力。另外，現(xiàn)在的變槳系統(tǒng)采用了液壓系統(tǒng)，這樣就有了重量輕、轉(zhuǎn)矩大、不需要變速機(jī)構(gòu)且技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。3.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)所謂的變頻就是通過改變電流的頻率，通