风力发电机组功率控制系统研究

论文摘要

电能作为一种应用及其广泛和方便的二次能源，已经成为目前社会发展不可或缺的条件。当今世界，能源与环境问题并列成为人类社会共同面临的重大挑战，影响着人类社会发展的进程与未来。缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能作为一种储能丰富，清洁而安全的可再生能源，被世界各国广泛开发利用。我国也将风力发电作为未来能源产业的发展重点。风力发电技术随着被重视也迅速发展起来，风力发电的控制由以前单一的定桨距控制方式，到目前风电市场普遍的变桨距控制，控制方式更先进，有利于风力发电机组逐步向大型化发展。但是风的随机性和多变性，对于控制系统要求很高，因而各种控制方法在实际应用中都不是很理想。设计一种控制效果良好的控制系统，对于风力发电机组发展很重要。所以本文主要以2MW双馈变速变桨距风力发电机组为模型，对其控制系统进行研究和分析。目前国内应用的风力发电机组大多为变桨变速恒频系统，具有风能利用系数高、安全可靠、改善整机受力等优点，然而依然面临载荷过大、功率波动大和变桨过于频繁等问题，因此，在大型的风力发电机组中，控制系统设计的好坏尤为重要。本文主要从风电机组的结构方式以及控制理论入手，主要对2MW双馈风电机组的控制系统进行初步的构想，把非线性风机模型模态线性化。在此线性控制系统模型上进行控制器的设计，然后进行控制系统的闭环性能仿真验证。风机的控制系统是一个多输入多输出系统，控制系统的输入可以为发电机或风轮转速、风轮和发电机提供功率和转矩等测量，控制的输出可以是桨距角和发电机转矩。根据选择的低于额定风速以下，控制功率输出跟踪机组功率系数最大值；高于额定风速以上，保持额定功率稳定输出的控制策略，设计了高于额定风速下PI控制器，同时，通过Bladed软件仿真，并在实际风场运行情况，最终验证此控制系统能够达到系统控制的要求，效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 风力发电机的功率调节[1]
• 1.2.2 变桨距控制原理及其控制过程
• 1.2.3 变桨距系统驱动方案
• 1.3 论文主要工作及结构安排
• 第2章 风电机组基础理论
• 2.1 风力发电系统
• 2.1.1 风力发电机组分类
• 2.1.2 水平轴风力机的基本构成及工作原理
• 2.1.3 垂直轴风力机的基本构成及工作原理
• 2.2 风力机空气动力学原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 风力发电机组的控制
• 3.1 风力发电的特点及控制要求
• 3.2 风力发电机组的动态特性
• 3.3 控制系统的结构
• 3.4 并网型风力发电机组的功率调节控制
• 3.4.1 风力机的功率调节
• 3.4.2 定桨矩失速风力发电机组的控制
• 3.4.3 变桨距风力发电机组的控制系统
• 3.4.4 主动失速调节与控制
• 3.4.5 变速恒频风力发电机组的调节与控制
• 3.5 2MW 风电机组控制系统
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 工作状态
• 3.5.3 错误级别定义
• 3.5.4 控制过程
• 3.6 本章小结
• 第4章 风电机组功率控制策略
• 4.1 动态模型的建立
• 4.1.1 一阶模型
• 4.1.2 非线性气动力转矩表达式
• 4.1.3 线性化
• 4.1.4 风力扰动模型
• 4.2 控制器设计
• 4.2.1 基本控制框图
• 4.2.2 PI 控制器
• 4.3 本章小结
• 第5章 风电机组系统总体设计和仿真结果分析
• 5.1 机组机械结构
• 5.1.1 叶片
• 5.1.2 变桨系统
• 5.1.3 主传动链
• 5.1.4 齿轮箱
• 5.1.5 高速轴制动器
• 5.1.6 联轴器
• 5.1.7 发电机
• 5.1.8 变频器、控制系统
• 5.2 偏航系统
• 5.3 液压制动系统
• 5.4 冷却系统
• 5.5 系统仿真及分析
• 5.5.1 Bladed 软件主要功能
• 5.5.2 模拟与结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历