變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略研究—轉(zhuǎn)速控制本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 200811204074 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（題 目：變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略研究轉(zhuǎn)速控制學(xué)生姓名：徐彬彬?qū)W 院：電力學(xué)院系 別：自動(dòng)化系專 業(yè)：自動(dòng)化（電廠熱工過(guò)程控制及自動(dòng)化方向）班 級(jí)：自（電）08-2指導(dǎo)教師：溫素芳 講師二 一 二 年 六 月 摘 要因?yàn)轱L(fēng)能有著綠色環(huán)保和可再生等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了發(fā)電行業(yè)的生力軍。并且我國(guó)的風(fēng)能儲(chǔ)備量居于世界首位，所以對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究日益成為大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的熱門課題。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是以兆瓦級(jí)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，因?yàn)樽儤嗫刂骑L(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)確

2、保高風(fēng)速段的額定功率啟動(dòng)性能和制動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)正受到越來(lái)越多的重視。本課題主要目的是在額定風(fēng)速以下盡可能多的吸收風(fēng)能。主要涉及到了對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型的建立，然后根據(jù)搭建好的數(shù)學(xué)模型對(duì)變槳控制策略進(jìn)行研究。在研究過(guò)程中提出將槳距角調(diào)整到0度，然后采用pid控制器來(lái)改變發(fā)電機(jī)定子電壓，以此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的反扭矩來(lái)控制轉(zhuǎn)速。這個(gè)設(shè)計(jì)通過(guò)在matlab軟件中的simulink工具進(jìn)行的仿真而得到了證明，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)之初要求的在額定風(fēng)速以下最大可能吸收風(fēng)能，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短的目的。關(guān)鍵詞: 變漿距；數(shù)學(xué)模型；pid控制器abstractbecause the wind has a gr

3、een environmental protection and renewable etc, so gradually become the main force of the power industry. at the same time our countrys wind energy reserves in the first place of the world, so for wind power technology research increasingly become the hot topic of undergraduate graduation design. th

4、is graduation design is to change propeller mega watt from wind power generators for research object, because change propeller from control wind power technology of its power rating point in more stable output power, high point in the rated wind energy coefficient, ensure high wind power rating of t

5、he period, starting performance and brake performance characteristics such as superior is being more and more attention. the main purpose of this subject is to the rated wind as much as possible in the absorption of the wind power. mainly involved in change from wind power generators mathematical mo

6、del, and then based on the mathematical model is built to paddle control strategy for research. in the course of research put forward the propeller from the angle adjustment to 0 degrees, and then used pid controller to change generator stator voltage, to adjust the torque to control the generator s

7、peed. time in the matlab software ideas through simulation and tool simulink verified, the simulation results comply with the design requirements in the beginning of the rated wind may absorb the largest wind power, small overshoots, short setting time purpose. key words: variable propeller pitch ；m

8、athematical model；pid controller 目 錄引言1第一章 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和意義21.1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀21.1.1國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀21.1.2國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀31.2課題研究的意義和內(nèi)容3第二章 風(fēng)力機(jī)變槳距控制的基本原理521風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程52.1.1風(fēng)能的計(jì)算52.1.2貝茲理論522風(fēng)力機(jī)特性系數(shù)72.2.1風(fēng)能利用系數(shù):72.2.2葉尖速比72.3變槳距控制7第三章 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型103.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型103.1.1風(fēng)輪氣動(dòng)特性103.1.2傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性103.1.3發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型11 3.2 matlab介紹.123.3

9、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)模型搭建123.3.1風(fēng)能利用系數(shù)的子模塊133.3.2風(fēng)輪輸出力矩的子模塊133.3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反扭矩的子模塊14第四章 pid控制策略的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果154.1 pid控制器介紹154.2 pid參數(shù)的整定164.3 仿真結(jié)果17總結(jié)19致謝20參考文獻(xiàn)21引言我國(guó)能源和電力短缺形勢(shì)嚴(yán)峻，己經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的嚴(yán)重制約。有研究表明，我國(guó)常規(guī)能源(煤、石油和天然氣)探明總資源量約8200億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明剩余可采總儲(chǔ)量1500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，如果按照我國(guó)能源消耗和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相匹配的方式計(jì)算，我國(guó)的常規(guī)能源將消耗殆盡。因此，必須從能源供給角度入手，增加能源的供給。以煤電為主

10、的電力結(jié)構(gòu)，不僅給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且由于我國(guó)煤炭資源分布嚴(yán)重不平衡，僅運(yùn)煤就占我國(guó)鐵路部門年運(yùn)輸量的%，如果我國(guó)能源消費(fèi)的增長(zhǎng)還要以煤炭為主導(dǎo)，必將造成鐵路運(yùn)輸?shù)娜婢o張。對(duì)于石油和天然氣，嚴(yán)重問(wèn)題是我國(guó)石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，到2003年，我國(guó)進(jìn)口原油9000萬(wàn)噸，成品油2000萬(wàn)噸，共進(jìn)口 1.1億噸，已經(jīng)成為世界第二大石油進(jìn)口大國(guó)。對(duì)于水能，一方面我國(guó)可開發(fā)的水能資源有限，另一方面水電資源大多集中在西南地區(qū)，要滿足沿海地區(qū)的電力需求，僅靠西電東送是不夠的。而對(duì)于核能，問(wèn)題與石油天然氣相似，關(guān)鍵是我國(guó)天然鈾資源短缺。大力進(jìn)口天然鈾將遇到和進(jìn)口石油天然氣一樣甚至更

11、為嚴(yán)重的困難。出路之一是發(fā)展各種能增殖核燃料的新型中子堆。當(dāng)前的問(wèn)題是，我國(guó)現(xiàn)在部署的鈉冷卻的中子堆技術(shù)，其增殖系數(shù)較低，不能滿足需求，而較為先進(jìn)的鉛冷卻技術(shù)卻沒有掌握。而我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量居世界首位，探明風(fēng)能理論儲(chǔ)量為32.26億kw，可開發(fā)的風(fēng)能資源約10億kw。據(jù)初步探明結(jié)果，陸地上可開發(fā)的風(fēng)能資源即達(dá)2.53億千瓦;加上近海(15米深的淺海地帶)的風(fēng)能資源，全國(guó)可開發(fā)風(fēng)能資源估計(jì)在10億千瓦以上。所以國(guó)外專家評(píng)論，中國(guó)單靠風(fēng)力發(fā)電就能輕而易舉地將現(xiàn)有的電力生產(chǎn)翻上一番。盡管目前風(fēng)電電價(jià)還比煤電價(jià)格高一點(diǎn)，但已經(jīng)具有經(jīng)濟(jì)效益。如果風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，設(shè)備價(jià)格將下降30%左右，風(fēng)電場(chǎng)綜合造價(jià)將

12、下降16%20%，從而使風(fēng)電電價(jià)下降10%30%，風(fēng)電電價(jià)將更具有競(jìng)爭(zhēng)力。另外，風(fēng)力發(fā)電將能迅速緩解我國(guó)能源急需和電力短缺的局面。近兩年中國(guó)出現(xiàn)大面積的缺電，風(fēng)能發(fā)電對(duì)于緩解缺電具有非同尋常的意義。這是因?yàn)轱L(fēng)電的諸多優(yōu)勢(shì)中，一個(gè)重要特點(diǎn)是風(fēng)電上馬快，風(fēng)電在有風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的前提下其建設(shè)只需要以周、月來(lái)計(jì)算，即風(fēng)場(chǎng)是可以在短時(shí)間內(nèi)完成的。對(duì)于環(huán)境方面，風(fēng)電發(fā)展除了解決能源的急需外，還能為改善氣候作出貢獻(xiàn)一是大幅度削減造成溫室效應(yīng)的二氧化碳，緩和氣候變暖的狀況。二是大幅度緩解我國(guó)愈加頻繁的沙塵暴危害，從而抑制荒漠化的發(fā)展。第一章 風(fēng)電的發(fā)展1.1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀近20年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)

13、家在風(fēng)能的開發(fā)利用方面已取得了驚人的成就，裝機(jī)容量以每年30%以上的速度增長(zhǎng)，可利用率從原來(lái)的50%提高到98%，風(fēng)能利用系數(shù)超過(guò)40%。德國(guó)、美國(guó)、丹麥等國(guó)開發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測(cè)量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開發(fā)了自動(dòng)控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。美國(guó)國(guó)家風(fēng)能技術(shù)中心目前正在研制的自適應(yīng)變槳距風(fēng)力機(jī)，力圖通過(guò)對(duì)槳葉材料的設(shè)計(jì)，使槳葉在低于額定風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)槳葉節(jié)距角保持左右；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，槳葉在風(fēng)力的作用下，根據(jù)風(fēng)速的大小做出相應(yīng)的變形，從而

14、自動(dòng)改變槳葉的節(jié)距角；瑞士開發(fā)出了一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其高壓發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的高壓電流，通過(guò)新型直流變壓系統(tǒng)處理后即可直接輸入普通電網(wǎng)，無(wú)需再通過(guò)普通變壓器進(jìn)行變壓處理，可大幅度減少發(fā)電成本。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究與制造以歐洲國(guó)家最具代表性，如德國(guó)、西班牙、丹麥和荷蘭等國(guó)家，其中丹麥生產(chǎn)和銷售量居世界首位，而技術(shù)和規(guī)模發(fā)展速度則屬德國(guó)最快；全球風(fēng)電裝機(jī)容量大于1000mw的五個(gè)國(guó)家依次是：德國(guó)、西班牙、美國(guó)、丹麥和印度；從應(yīng)用和管理角度看，德國(guó)是全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量最大的國(guó)家。國(guó)外風(fēng)力機(jī)發(fā)展有兩個(gè)明顯的趨勢(shì)：一是單機(jī)容量大型化，目前已經(jīng)開發(fā)出兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)品；二是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行規(guī)?；⒋笮惋L(fēng)

15、力發(fā)電場(chǎng)，以降低風(fēng)力發(fā)電成本。850kw以下的機(jī)組已經(jīng)大量商品化生產(chǎn)，故障率從20世紀(jì)80年代初的50%降低到目前的2%以下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中運(yùn)行的全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的中央控制和跨地區(qū)跨國(guó)界的遠(yuǎn)程監(jiān)控。近兩年來(lái)，1.5mw機(jī)組推向市場(chǎng)，其市場(chǎng)份額增長(zhǎng)很快，可能成為本世紀(jì)初的代表機(jī)型。1.1.2國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)風(fēng)能資源豐富，已探明風(fēng)能理論儲(chǔ)量為32.26億kw，而內(nèi)陸可開發(fā)利用的為2.5億kw，近?？衫蔑L(fēng)能為7.5億kw，主要集中在沿海、西北、東北及華北的北部地區(qū)，但風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)還處于發(fā)展的初級(jí)階段，屬于朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。1994年并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)30mw，年發(fā)電量7500萬(wàn)；到2000年

16、底，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量已達(dá)344mw，年發(fā)電量約8.6億kwh，同時(shí)還有13萬(wàn)臺(tái)小型獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在廣大牧區(qū)、海島、有風(fēng)無(wú)電的邊遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)行；最新統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，截止到2006年底，全國(guó)風(fēng)能資源豐富的14個(gè)省(自治區(qū))已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)9l座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3311臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)259.5萬(wàn)kw(以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù))。預(yù)計(jì)到2010年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)400萬(wàn)kw，到2020年可達(dá)600萬(wàn)至800萬(wàn)kw。我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展雖相對(duì)滯后，但其成就亦令人矚目。但目前國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)備還主要依賴進(jìn)口，據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)提供的統(tǒng)計(jì)，截至2004年，我國(guó)累計(jì)市場(chǎng)份額中，國(guó)內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)品只占18%

17、，而進(jìn)口產(chǎn)品占82%。國(guó)產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)也取得了一定的成果，其中包括“八五”期間開發(fā)成功的200kw250kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和在“九五”期間開發(fā)的600kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，成功地開發(fā)了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的當(dāng)?shù)乜刂坪瓦h(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題得到了解決。國(guó)內(nèi)可以制造的其他主要部件包括槳葉、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、機(jī)艙、主軸、塔架、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，為我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)已經(jīng)開始了mw級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)工作，這是我國(guó)自主研制開發(fā)的最大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將填補(bǔ)中國(guó)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的空白。1.2課題研究的意義和內(nèi)容為了更好的解決環(huán)境污染及能源問(wèn)題、調(diào)整電力結(jié)構(gòu)，

18、我國(guó)政府從七五以來(lái)制定了各項(xiàng)優(yōu)惠政策鼓勵(lì)發(fā)展風(fēng)電事業(yè)，但由于我國(guó)風(fēng)電事業(yè)起步晚、規(guī)模小、風(fēng)電機(jī)組90%以上都為國(guó)外引進(jìn)，這樣不僅消耗大量外匯，同時(shí)風(fēng)機(jī)的后期維護(hù)也受制于他人。目前中國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展主要有三個(gè)突出的特點(diǎn)：一是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展規(guī)模迅速擴(kuò)大，形成了巨大的市場(chǎng)空間；二是國(guó)產(chǎn)機(jī)組缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)口機(jī)組以壓倒性的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的主要份額；三是風(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)的掌控方面亟待進(jìn)一步突破。目前世界上流行的幾種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，我國(guó)只掌握了定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，由此開發(fā)出了以現(xiàn)場(chǎng)總線控制為核心的定槳距失速調(diào)節(jié)控制器。面另外幾種技術(shù)的掌握情況還比較薄弱。文章針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距部分設(shè)計(jì)

19、pid控制器。因此，本文在提高單機(jī)容量、實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化和掌握世界主流風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究方面具有重要的意義。研究?jī)?nèi)容：查閱相關(guān)資料熟悉風(fēng)力機(jī)變槳距控制的基本原理。建立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。探討變槳距控制系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)方法。提出了采用pid控制在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將變槳距控制系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型引入到設(shè)計(jì)控制器的過(guò)程中，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器的性能，取得了較好的控制效果。借助matlab軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并通過(guò)仿真結(jié)果分析控制器的性能。達(dá)到了最大可能吸收風(fēng)能，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。第二章 風(fēng)力機(jī)變槳距控制的基本原理21風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程風(fēng)力機(jī)是將

20、風(fēng)能轉(zhuǎn)換為另外一種形式能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。風(fēng)力機(jī)的核心部件是風(fēng)輪，風(fēng)輪是由葉片和輪轂組成。2.1.1風(fēng)能的計(jì)算由流體力學(xué)可知，氣流的動(dòng)能為 (2-1)式中：-氣流的質(zhì)量，單位為kg； -氣流的速度，單位為；設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流通過(guò)截面積為s的體積是v，則： (2-2)如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為： (2-3)這時(shí)氣流所具有的動(dòng)能為： (2-4)上式就是風(fēng)能的表達(dá)式。從風(fēng)能公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度和通過(guò)風(fēng)輪的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。其中與隨地理位置、海拔、地形等因素不同而變化。2.1.2貝茲理論貝茲理論是由德國(guó)的貝茲于1926年建立的。他假定風(fēng)輪是理想的，即沒有輪轂，又具有

21、無(wú)限多的葉片：氣流通過(guò)風(fēng)輪時(shí)沒有阻力，并假定經(jīng)過(guò)整個(gè)風(fēng)輪掃及面時(shí)全是均勻的，而且通過(guò)風(fēng)輪前后的速度都為軸向方向。如圖2-1所示，設(shè)定風(fēng)輪的氣流上游截面，風(fēng)速為；下游截面為，風(fēng)速為；通過(guò)風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際風(fēng)速為，以及風(fēng)輪面積為a。由于風(fēng)輪的機(jī)械能量?jī)H由空氣的動(dòng)能降低所致，因而必然低于，所以通過(guò)風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即大于。 圖 2-1 風(fēng)力機(jī)的氣流圖如果假定空氣是不可壓縮的由連續(xù)條件可得： (2-5)風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力由euler理論得出，如下式： (2-6)其中：-空氣密度，；故風(fēng)輪吸收的功率為： (2-7)上游至下游動(dòng)能的變化為： (2-8)由于功率是由動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的，式（2-7）

22、與式（2-8）相等，得： (2-9)則作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率分別為： (2-10) (2-11)給定上游風(fēng)速，對(duì)取微分： (2-12) 最大功率即，求得兩解：（1），沒有物理意思。（2），以第二解代入式（2-11），得最大功率： (2-13)將上式除以氣流通過(guò)掃掠面積時(shí)風(fēng)所具有的動(dòng)能，可以推得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率(或稱理論風(fēng)能利用系數(shù))： (2-14)上式即為著名的貝茲betz理論的極限值。它表明，風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所能獲取的能量是有限的。其損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。這就引出了風(fēng)能利用系數(shù)的概念。22風(fēng)力機(jī)特性系數(shù)2.2.1風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)能利用系數(shù)表示的是風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸

23、收能量的大小程度，由下式（2-15）表示： (2-15)p-風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲取的軸功率；對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能利用系數(shù)，與尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線性關(guān)系。2.2.2葉尖速比葉尖速比即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比，由下式表示： (2-16)其中：n-風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，rs；-風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rads；r-風(fēng)輪半徑，m；據(jù)有關(guān)資料的記載和研究，風(fēng)能利用系數(shù)可近似用以下公式（2-17）表示： (2-17) 0.50.40.30.200.15101520 圖2-2葉尖速比與風(fēng)能利用率的關(guān)系2.3變槳距控制變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是葉片通過(guò)軸承固定在輪轂上，葉片可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)需要借助控制技術(shù)來(lái)調(diào)整其槳距

24、角。它通過(guò)變距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速變化而變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片攻角處于附近，此時(shí)葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風(fēng)力機(jī)，在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)生作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)變動(dòng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由常規(guī)變槳距風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)又演化出一種更為先進(jìn)的控制技術(shù)變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。變速風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)主要針對(duì)變槳距控制方法在低于額定風(fēng)速時(shí)的控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，從而獲得最佳葉尖速比。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比提高了機(jī)組在低于額定風(fēng)速階段系統(tǒng)的功率輸

25、出，在更大容量上將成為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型。獨(dú)立槳葉控制是變槳距控制的另一個(gè)重要方式，已經(jīng)被國(guó)際風(fēng)電廠家采納。針對(duì)統(tǒng)一槳葉控制存在的槳葉拍打震動(dòng)的缺點(diǎn)，目前已提出了基于槳葉受力加速度權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立槳葉模糊控制和基于槳葉方位角權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立槳葉模糊控制兩種獨(dú)立槳葉控制算法。通過(guò)仿真表明，應(yīng)用這兩種控制算法不僅能平穩(wěn)發(fā)電機(jī)輸出功率，而且大大減小了槳葉的拍打震動(dòng)。雖然獨(dú)立變槳距控制與統(tǒng)一槳葉控制(電液比例變槳距控制)變槳距控制結(jié)構(gòu)方式不一樣，但是控制目標(biāo)都相同，即穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的功率輸出。因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳葉節(jié)距角保持最優(yōu)捕獲風(fēng)能的位置(一般為3度左右)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能

26、利用系數(shù)保持最大值，使發(fā)電機(jī)盡可能地輸出最大功率；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，使發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定在額定功率左右。第三章 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型 3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型本文中研究的對(duì)象是兆瓦級(jí)的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。假設(shè)所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由一水平軸、可變槳距風(fēng)輪，通過(guò)增速器與發(fā)電機(jī)連接而成，系統(tǒng)方框圖如圖3-1所示,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從控制系統(tǒng)角度來(lái)看可以分為3個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)輪氣動(dòng)特性、傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和發(fā)電機(jī)模型。圖3-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方框圖3.1.1風(fēng)輪氣動(dòng)特性在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的。由式(3-1)，風(fēng)輪吸收的功率為： (3-1)風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)模型由以下運(yùn)動(dòng)方程表

27、示： (3-2)式中：-風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m ；-風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rads；-風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，n.m；-齒輪箱傳動(dòng)比；-扭矩，n.m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系為： (3-3)3.1.2傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能，然后這個(gè)能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，而發(fā)電機(jī)不能太重，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速要盡可能的高，因此，就要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間連接齒輪箱增速器，把轉(zhuǎn)速提高，達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)輪氣動(dòng)特性，風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，作用于帶有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過(guò)增速比為的增速器連接到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一反扭矩。由

28、于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間是剛性連接，因此，忽略傳動(dòng)系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對(duì)角位移。3.1.3發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型研究中所涉及到的發(fā)電機(jī)為繞線式三相異步發(fā)電機(jī)，因此通過(guò)改變定子電壓而改變發(fā)電機(jī)反力矩和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)變速。 (3-4)其中 g-發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；-相數(shù)；-電網(wǎng)電壓，v；-修正系數(shù)；-發(fā)電機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，；-同步轉(zhuǎn)速，；-異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，；-定子繞組的電阻、漏抗，；-轉(zhuǎn)子繞組的電阻、漏抗，；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程為： (3-5)風(fēng)輪軸角速度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系由下式表示： (3-6)3.2 matlab的介紹matlab是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式

29、程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。simulink是matlab眾多工具包中的一員，它現(xiàn)在已經(jīng)成為仿真領(lǐng)域的主流工具。它是一種圖形化的仿真工具包，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析，可以處理線性系統(tǒng)、離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)，以及單任務(wù)和多任務(wù)系統(tǒng)，并在同一系統(tǒng)中支持不同的變化速率。3.3變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)模型

30、搭建本文以 1.3mw變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，各參數(shù)如表3-1所示：表3-1 1.3mw變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)參數(shù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳動(dòng)系統(tǒng)增速比n風(fēng)輪半徑r空氣密度24601065278.94731m1.225定子繞組電阻及漏抗轉(zhuǎn)子繞組電阻及漏抗定子額定相電壓 額定功率額定轉(zhuǎn)速690v1300kw1519額定風(fēng)速切入切出風(fēng)速電機(jī)極對(duì)數(shù)g修正系數(shù)定子相數(shù)154,2520.81133.3.1風(fēng)能利用系數(shù)的子模塊圖3-2 的仿真子模塊3.3.2風(fēng)輪輸出力矩的子模塊圖3-3 的仿真子模塊3.3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反扭矩的子模塊 圖3-4 的仿真子模塊第四章 pid控制策略的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)

31、果4.1 pid控制器介紹 pid 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，pid控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下一個(gè)pid反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其中各個(gè)單元的作用如下：比例（p）調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出

32、現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少 偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分（i）調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)，越小，積分作用就越強(qiáng)。反之大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成pi調(diào)節(jié)器或pid調(diào)節(jié)器 。微分（d）調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微

33、分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用。pid調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為： (4-1)采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速是15ms，額定輸出功率是1300kw。在低于額定風(fēng)速時(shí)，控制的目標(biāo)是尋求最大功率系數(shù)以捕獲最大風(fēng)能。從風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，槳距角為0度，葉尖速比為9時(shí)，功率系數(shù)的值最大。因此，在低于額定風(fēng)速時(shí)采用pid控制器改變發(fā)電機(jī)定子電壓，以此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速，將槳葉節(jié)距角置于0,而只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使之與風(fēng)速的比保持不變()，即可獲得最佳功率系

34、數(shù)。加入pid控制器后的系統(tǒng)仿真圖如圖4-1所示： 圖4-1 加入pid控制器后的系統(tǒng)仿真圖4.3 pid參數(shù)的整定整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和程整定法。 理論計(jì)算整定法有對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌 跡法等；工程整定法有經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界 比例度法和響應(yīng)曲線法等； 本文選用工程整定法中的經(jīng)驗(yàn)法，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)法有一下優(yōu)點(diǎn)：不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定方法簡(jiǎn)單；計(jì)算簡(jiǎn)便；易于掌握。經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際上是一種試湊方法，即先將儀表的參數(shù)設(shè)置在常用數(shù)據(jù)上，然后觀察調(diào)節(jié)過(guò)程的曲線形狀，改變pid參數(shù)，再觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，如還不理想，反復(fù)試湊，直到調(diào)節(jié)

35、質(zhì)量符合工件要求為止。 按照先比例（p）、再積分（i）、最后微分（d）的順序。置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，微分時(shí)間，在比例度按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，整定比例度。求得滿意的4：1過(guò)渡過(guò)程曲線。引入積分作用（此時(shí)應(yīng)將上述比例度加大1.2倍）。將由大到小進(jìn)行整定。若需引入微分作用時(shí)，則將按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，并由小到大往上加。經(jīng)過(guò)試湊280；。4.4仿真結(jié)果由此。采用pid控制器時(shí)利用前面搭建的子模塊在mati ab中搭建系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行仿真。功率和轉(zhuǎn)速的仿真圖如下：圖4-2 風(fēng)速為6m/s時(shí)功率的仿真圖形 圖4-3 風(fēng)速為6m/s時(shí)轉(zhuǎn)速的仿真圖形仿真結(jié)果分析： 從仿真圖形的曲線看出，仿真結(jié)果比較滿意

36、，達(dá)到了論文所要求的最大可能吸收風(fēng)能，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短的目的。因此，傳統(tǒng)的pid控制器對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制具有較好的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)特性。 總 結(jié)本文以1.3兆瓦級(jí)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，以風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性和空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，研究了變槳距控制的基本原理。并對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的3個(gè)主要部分：風(fēng)能利用系數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)、異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立。在對(duì)模塊的建立過(guò)程中，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)發(fā)電過(guò)程得到了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并且在用matlab建模的時(shí)候又一次熟悉matlab軟件。此次論文研究的主要目標(biāo)是在風(fēng)速低于額定風(fēng)速以下的時(shí)候，最大可能吸收風(fēng)能，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。為了更好的達(dá)到控制目的，選用熟悉的pid控制器。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)加入pid控制器后在matlab上進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真曲線來(lái)看，在單一風(fēng)速的條件下，pid控制器基本上達(dá)到了控制要求，使得在額定風(fēng)速以下，風(fēng)能利用率最高，轉(zhuǎn)速和輸出功率也很平穩(wěn)。當(dāng)然，仿真試驗(yàn)表明盡管