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兆瓦级变桨调速风力发电机组的智能控制系统研究

作　者: 朱健
导　师: 高春甫
学　校: 吉林大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 风力发电机组变桨控制模糊PID 系统仿真偏航系统
分类号: TM762
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 5次
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内容摘要

风力发电技术的研究开发,正日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。风力发电在解决能源和环境问题上的积极意义,使其在世界范围内得到快速发展,正成为当今世界增长速度最快的能源。风力发电机组的单机容量已发展到现在的兆瓦级机组,控制方式从基本的定桨距失速型控制转向变桨距控制。为提高风能的利用效率和机械寿命,风力发电机组的研究工作在世界各地广泛的开展,多数集中于桨叶控制、发电机控制、并网控制和偏航控制。为了提高风能的利用率和提高发电效率,进一步实现大型风力发电机组的智能控制,本文展开了相应的研究。本文主要研究变桨调速风力发电机组。通过风力机追求最大风能捕获的原理,确定总体控制策略。并通过风速和风力机的特点,将模糊控制与PID控制相结合,提出模糊PID的控制方法,以使控制器既具有模糊控制适应性强,又具有PID控制精度高的特点。本文建立了数学模型,并进行MATLAB/Simulink仿真,通过仿真结果的分析,说明了设计的变桨距控制系统可以满足风力机组在功率调节阶段的控制要求。针对风的空气动力学的不确定性,本文应用模糊控制理论设计了偏航控制器,通过仿真表明符合系统的实际情况,并且整体控制性能较好,同时设计了单片机的软硬件系统来驱动偏航电机。最终提高了风能的利用效率和风力机组捕获风能的能力,使其保持到最优工作状态。

全文目录

提要  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 课题研究的背景和意义  8
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  8-9
  1.3 风力发电机组控制技术综述  9-12
    1.3.1 常规与先进控制方法研究  9-10
    1.3.2 定桨距与变桨距控制  10-11
    1.3.3 恒速恒频与变速恒频  11-12
  1.4 本文研究内容  12-13
第二章风力发电系统装置的结构与功能  13-18
  2.1 引言  13
  2.2 风力机的分类  13-14
  2.3 风力机的构造部件及功能  14-18
第三章最大风能检测及总体控制策略  18-29
  3.1 风力机的空气动力特性研究  18-23
    3.1.1 风能利用系数与风力机气动特性  18-21
    3.1.2 叶片翼型及其受力分析  21-22
    3.1.3 桨距角调节原理  22-23
  3.2 风力发电机组的功率调节  23-24
    3.2.1 功率调节方式比较  23-24
    3.2.2 变桨距控制过程研究  24
  3.3 风力发电机组的速度调节  24-27
    3.3.1 变速控制的运行特性  24-25
    3.3.2 变速风力发电机组的控制过程分析  25-26
    3.3.3 变速控制的运行区域  26-27
  3.4 基于最大风能检测的总体控制策略  27-29
第四章模糊控制概述  29-37
  4.1 模糊控制的基本概念与特点  29
  4.2 基本模糊控制器的设计  29-36
    4.2.1 模糊控制器的组成原理  29-31
    4.2.2 模糊控制器的设计方法  31-36
  4.3 模糊控制的局限性  36-37
第五章变桨距模糊控制系统设计  37-56
  5.1 PID 控制概述  37-39
  5.2 模糊PID 控制  39-42
    5.2.1 模糊控制系统性能的改善  39-40
    5.2.2 控制方案的提出  40-41
    5.2.3 PID 参数的整定  41-42
  5.3 模糊自整定PID 控制器的设计  42-45
  5.4 系统数学模型建立  45-48
    5.4.1 风速模型  45-46
    5.4.2 变桨机构模型  46
    5.4.3 风力机模型  46-48
    5.4.4 发电机模型  48
  5.5 变桨距模糊控制系统的仿真  48-56
    5.5.1 系统仿真模型的建立  48-52
    5.5.2 仿真结果及分析  52-56
第六章偏航控制系统研究  56-77
  6.1 偏航系统的功能简介  56
  6.2 偏航系统的控制过程  56-58
  6.3 单片机硬件系统设计  58-69
    6.3.1 系统总体结构  58-59
    6.3.2 主电路设计  59-63
    6.3.3 地址及接口任务的分配  63-65
    6.3.4 风传感器测量输入  65-67
    6.3.5 硬件抗干扰研究  67-69
  6.4 偏航模糊控制器的设计及仿真  69-73
    6.4.1 偏航模糊控制器的设计  69-71
    6.4.2 软件设计流程  71-72
    6.4.3 MATLAB 仿真结果分析  72-73
  6.5 偏航电机的选择与连接  73-77
    6.5.1 偏航电机的选择与连接  73-76
    6.5.2 偏航驱动装置  76-77
第七章总结与展望  77-79
  7.1 全文总结  77-78
  7.2 进一步研究的探讨  78-79
参考文献  79-81
附录  81-83
摘要  83-85
ABSTRACT  85-87
致谢  87-88
导师及作者简介  88

兆瓦级变桨调速风力发电机组的智能控制系统研究

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