大型风力发电机组变桨系统的设计

第一篇：大型风力发电机组变桨系统的设计

陕 西 科 技 大 学

毕业设计（论文）任务书

电气与信息工程学院 电气工程及自动化专业 09班级 学生 谭浩然毕业设计（论文）题目：MW级风力发电机组变桨距系统研究完成期限：从2013 年02月 25 日起到 2013 年 06 月 16 日 课题的意义及培养目标：随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。因此，近几年来，我国的风力发电事业得到了很快的发展。本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机组为研究对象，以计一套风力发电机组的变桨控制系统，实现自动最大风能捕获、危险风速保护等控制要求。最后，再通过仿真验证其可行性。经过本系统的设计实践，使学生可以很好的与目前的先进工程实践接轨。使所学的专业课及专业基础课的知识由理论转向实践，使所学的文化知识得到较好的实际应用和验证提升学生进入社会适

应工程工作环境的能力。设计（论文）所需收集的原始数据与资料：所需的资料、参考书籍如下：

1、电机及拖动基础（主要是同步发电机部分），电力拖动自动控制系统，电器

控制及PLC等技术书籍

2、STEP7软件。

3、S7-300PLC编程手册。

4、AUTOCAD绘图软件。

课题的主要任务（需附有技术指标要求）：

1、熟悉风力发电机的原理。

2、在掌握软件编程及控制工艺的基础上，设计风力发电机自动变桨控制系统。

3、编写软件程序。

5、在设计完成后，验证可行性。设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：

学生：日期：指导教师：日期：教研室主任：日期：

第二篇：风力发电机组变桨距

：随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展的阶段。本文从分析我国风力发电的现状出发，在总结分析风力发电技术发展的基础上，对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析，提出了相关建议。

关键词：风力发电；现状；技术发展

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。

1我国风力发电的现状

2005年2月，我国国家立法机关通过了《可再生能源法》，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。论文大全网编辑。

随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。

我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。

从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。

2风力发电的技术发展

风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。

2.1风力发电机组机型及容量的发展

现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年即达到2MW。进入21世纪，兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2004年德国Repower即研制出第一台5MW风电机，Enercon开发出第二代直驱式6WM风电机，预计2013年单机容量将突破15MW[1,3]。从世界范围来看，1.5MW-2MW的机型占世界机组容量的比例，已从2007年的63.7%飞速上升

到80.4%；而在我国，2005年风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的21.5%，而2009年比例已经上升到86.86%[4]。这表明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。

2.2风力发电机组控制技术的发展

控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术[5,6]，这是因为：

1）自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。

2）为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径大约在60m~100m之间，因此风轮具有较大的转动惯量。

3）自动控制在风力发电机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中都应得到很好的利用。

4）风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣[转贴于:论文大全网

在海岛和边远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。

因此，众多学者都致力于深入研究风力发电的控制技术和控制系统，这些研究工作对于风力发电机组优化运行有极其重要的意义。计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。

定桨距型风力机指桨叶与轮毂的连接是固定的，即桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。失速型是当风速高于额定风速，利用桨叶翼型本身所具有的失速特性，即气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，将发电机的功率输出限制在一定范围内。失速调节型的优点是简单可靠，当风速变化引起输出功率变化时，只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不做任何控制，使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低，也使得这些关键部件更容易疲劳磨损。

变速恒频风力发电机组是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，其转速不受发电机输出功率的限制，而其输出电压的频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。论文大全网www.xiexiebang.com整理。

与恒速风电机组相比，它的优越性在于：低风速时能够跟踪风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化调节风力机桨距角，在保证风电机组安全稳定运行的同时，使输出功率更加平稳。变速恒频风力发电机组通过励磁控制和变桨距调节来实现最佳运行状态。变桨距是根据风速和发电机转速来调整叶片桨距角，从而控制发电机输出功率，由传动齿轮箱、伺服电机和驱动控制单元组成。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，以得到理想的输出功率。变桨距风力发电机组的优点是：输出功率平稳，在额定点具有较高的风能利用系数，具有更好的起动性能与制动性能，能够确保高风速段的额定功率。

2.3风力发电机组控制策略的发展

风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组通常采用柔性部件，这有助

于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。目前，对风力发电机的控制策略研究根据控制器类型可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。传统控制采用线性控制方法，通过调节发电机电磁转矩或桨叶节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。对于快速变化的风速，其调节相对滞后。同时基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。

现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等[7,8]。变结构控制因具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优点而在风电系统中得到广泛应用。鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于被控制对象的精确的数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被调节对象有较强的鲁棒性。由于风力发电机的精确数学模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电机组的控制，越来越受到风电研究人员的重视。人工神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络的结构与特征的系统。利用神经元可以构成各种不同的拓扑结构的神经网络，它是生物神经网络的一种模拟和近似。利用神经网络的学习特性，可用于风力机的低风速的节距控制。

3存在的问题及展望

尽管近年来我国风电产业得到了迅猛的发展，但同时也暴露出众多的问题。

首先，我国尚未完全掌握风电机组的核心设计及制造技术。在设计技术方面，我国不仅每年需支付大量的专利、生产许可及技术咨询费用，在一些具有自主研发能力的风电企业中，其设计所需的应用软件、数据库和源代码都需要从国外购买。在风机制造方面，风机控制系统、逆变系统需要大量进口，同时，一些核心零部件如轴承、叶片和齿轮箱等与国外同类产品相比其质量、寿命及可靠性尚有很大差距。其次，我国风电发展规划与电网规划不相协调，上网容量远小于装机容量。风电发展侧重于资源规划，风电场的建设往[转贴于:论文大全网 没有考虑当地电网的消纳能力，从而造成装机容量大，并网发电少的现状。2009年新增装机容量中1/3未能上网，送电难已经成为制约风电发展的瓶颈。最后，我国风电的技术标准和规范不健全，包括风机制造、检测、调试、关键零部件生产及电场入网等相关标准亟需建立和完善。因此，展望我国未来的风电产业发展，必须加强自主创新掌握核心技术；必须加大电网建设力度，合理规范风电开发；必须加大政策扶持力度，建立健全完善统一的风电标准规范体系。

第三篇：变桨距风力发电机组

变桨距风力发电机组

变桨距风力发电机组是指整个叶片绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角在一定范围(一般0°~90°)内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。

在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需很大的刹车，启动性能好。在低空气密度地区仍可达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可保持相对稳定，保证较高的发电量。但由于增加了一套变桨距机构，增加了故障发生的机率，而且处理变距机构叶片轴承故障难度大。变距机组比较适于高原空气密度低的地区运行，避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较明显。从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

第四篇：风力发电机液压变桨系统简介

风力发电机液压变桨系统简介

全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。

附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风机变桨调节的两种工况

风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。液压变桨系统

液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。

液压变桨系统的结构

变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。

图1 控制原理图

液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示，它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成，图中仅画出其中的一套变桨装置。

图2 液压原理图

结束语

液压变桨系统与电动变桨系统相比，液压传动的单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行全顺桨作业而无需设计备用电源。由于桨叶是在不断旋转的，必须通过一个旋转接头将机舱内液压站的液压油管路引入旋转中的轮毂，液压油的压力在20MPa左右，因此制造工艺要求较高，难度较大，管路也容易产生泄漏现象。液压系统由于受液压油黏温特性的影响，对环境温度的要求比较高，对于在不同纬度使用的风机，液压油需增加加热或冷却装置。

第五篇：风力发电机组论文：风力发电机组 变桨距控制 自抗扰控制

风力发电机组论文：自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用

【中文摘要】本文主要研究了风力发电变桨距控制系统。首先介绍了风力发电机组的运行原理,在此基础上建立了大型变桨距变速风力发电机的模型,设计出PID控制器。然后重点讨论了在高风速情况下桨距角控制问题。为了改善系统在恒功率输出运行区域内的动态性能,本文设计了自抗扰控制方法的风力发电系统变桨距控制器,仿真结果表明这种方法可以有效抑制随机风扰动下电机转速偏差,实现恒功率控制。

【英文摘要】This paper mainly studied pitch control system of wind turbine.Firstly, it introduced the development of wind power at home and abroad, the operating principles of wind turbines, and constructed the models of a large-scale variable pitch variable speed wind turbine based on those principals and design a PID controller.Then it focused on the variable blade pitch control in the case of high wind speed.In this thesis, a new pitch controller based on the control theory of active disturbance rejection is deve...【关键词】风力发电机组 变桨距控制 自抗扰控制

【英文关键词】wind turbine variable pitch control active disturbance rejection control

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【目录】自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用5-6

Abstract6

第一章 绪论9-181.2 国内外风力发电现状

摘要

1.1 风力发

电的意义和研究背景9-1010-1410-1212-14

1.3 风力发电技术目前的研究现状和难题1.3.1 定桨距失速调节技术与变桨距技术1.3.2 恒速恒频风力发电技术与变速恒频发电技术1.4 风力发电控制技术的发展14-17

1.4.1 风

力发电系统的传统控制方法14制方法14-17

1.4.2 风力发电机组的现代控

第二

1.5 论文的主要内容及安排17-18

18-33

章 变桨距风力发电机组结构与工作原理机组的结构形式18-1919-21建立23-26型24-25

2.1 风力发电

2.2 风力机空气动力学理论

2.4 风机机理模型的2.4.2 传动机构模

2.5 风力发电

2.3 风能利用系数21-23

2.4.1 风轮模型23-24

2.4.3 异步发电机模型25-26

26-32

控制系统仿真实例26-2828-3032-33用33-48

2.5.1 系统模型的搭建

2.5.2 PID控制器及MATLAB系统仿真图2.5.3 仿真结果30-32

2.6 本章小结

第三章 自抗扰控制在风力发电变桨距控制系统中的应3.1 自抗扰控制基本原理

33-36

3.2 自抗扰

控制器的离散算法实现36-373.3 自抗扰控制器的高阶扩展

37-393.4 自抗扰控制器参数整定39-42

3.6 本章小结47-48

3.5 仿真与第四章 结论和展

结果分析42-47望48-50

参考文献50-55在学期间发表的学术论文和

作者简介57

参加科研情况55-56致谢56-57