畢業(yè)論文--直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組交流變槳控制系統(tǒng)的研究

1、<p>　　HUNAN UNIVERSITY</p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　20 年 月 日</p><p>　論文題目直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組交流 </p><p>　變漿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2、 </p><p>　學(xué)生姓名</p><p>　學(xué)生學(xué)號(hào)</p><p>　專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化2班</p><p>　學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院</p><p>　指導(dǎo)老師</p><p>　學(xué)院院長(zhǎng)</p><p><b>　　

3、湖 南 大 學(xué)</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后

4、果由本人承擔(dān)。</p><p>　　學(xué)生簽名：日期：20 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本畢業(yè)論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以

5、采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。</p><p><b>　　本論文屬于</b></p><p>　　1、保密 ，在______年解密后適用本授權(quán)書。</p><p><b>　　2、不保密√。</b></p><p>　　（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）</p>&l

6、t;p>　　學(xué) 生簽名：日期：2015 年 月 日</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：日期：2015 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　能源資源是能源發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類發(fā)展不可缺少的。新中國(guó)以來(lái)，我國(guó)不斷加大對(duì)能源的勘察力度，同時(shí)開展了多次資源評(píng)

7、價(jià)和能源結(jié)構(gòu)的探討。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是中國(guó)發(fā)展面臨的重要任務(wù)之一，也是保證中國(guó)能源安全的重要組成部分。調(diào)整中國(guó)能源結(jié)構(gòu)就是要減少能源資源的需求和消費(fèi)，降低對(duì)國(guó)際石油的依賴，大力發(fā)展新能源和可再生能源，其中風(fēng)力就是一種無(wú)污染、低成本的可再生能源。風(fēng)能的這些特點(diǎn)收到了是世界各國(guó)能源組織的高度關(guān)注。除此之外風(fēng)能還有能量密度低，隨機(jī)性和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，這就對(duì)風(fēng)力的收集和利用加大了難度。本論文就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)做出了研究本論文的內(nèi)容可劃分為三個(gè)

8、部分： </p><p>　　首先，對(duì)本課題的研究背景及現(xiàn)狀進(jìn)行了充分調(diào)研，從風(fēng)力發(fā)電的意義入手，介紹了國(guó)內(nèi)、外風(fēng)力發(fā)電的概況以及本課題的來(lái)源。論文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三種類型，以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組。這些現(xiàn)狀分析為本課題研究的方向奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　其次，從變槳距風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，得出變槳距變速恒頻控制的理論基礎(chǔ)，對(duì)變槳距結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算并將現(xiàn)代控

9、制理論應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還介紹了傳統(tǒng)的控制方法，也介紹了現(xiàn)代的控制方法：變結(jié)構(gòu)控制、在模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制。</p><p>　　最后，建立風(fēng)力機(jī)的模型，永磁同步發(fā)電機(jī)組的模型，進(jìn)行建模分析得出結(jié)果，將統(tǒng)一變漿系統(tǒng)的結(jié)果和獨(dú)立變漿系統(tǒng)的結(jié)果相比較。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；變槳距控制；獨(dú)立變漿系統(tǒng)；統(tǒng)一變漿系

10、統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Energy resources are the basis of energy development, and it is indispensable for human development.. Since the new China, China has continuo

11、usly increased the energy exploration, and has carried out many times and energy structure of the evaluation and exploration. The adjustment of the energy structure is one of the important tasks in the development o

12、f China, and is also an important part of China's energy security.. China's energy structure adjustment is to reduce the demand and consumption </p><p>　　First, the background and the status of

13、the research, the significance of wind power generation, the domestic and foreign wind power generation and the source of this paper is introduced.. Three types of wind turbine are introduced in this paper, as well

14、as the doubly fed generator and direct drive generator set.. These present situation analysis has laid the foundation for this research direction..</p><p>　　Secondly, from the variable pitch wind turbin

15、e aerodynamics research that variable pitch control of variable speed constant frequency (VSCF) the theoretical basis, to pitch from the structure design and calculation and application of modern control theory in the wi

16、nd power generation system. Introduced the three kinds of operating state of wind power generator, and also introduced the traditional control method, also introduces the modern control methods: variable structure c

17、ontrol, fuzzy contro</p><p>　　Finally, the model of the wind turbine, the model of permanent magnet synchronous generator set, and the results of the modeling analysis are obtained. The results of the unifie

18、d slurry system and the results of the independent slurry system are compared..</p><p>　　Key words: wind power generation system variable pitch control independent variable pitch system and uniform slurry sy

19、stem</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　摘要...............................................................Ⅰ</p><p>　　Abstract........

20、...................................................Ⅰ</p><p>　　緒論.........................................................1</p><p>　　1.1風(fēng)力發(fā)電概述..................................................1&l

21、t;/p><p>　　1.1.1風(fēng)力發(fā)電的意義與前景......................................1</p><p>　　1.1.2世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀..........................................2</p><p>　　1.1.3我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電情況.............................

22、........2 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展............................................4</p><p>　　1.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型....................................4</p><p>　　1.2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....................................

23、.....4</p><p>　　1.2.2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)....................................5</p><p>　　1.2.2.2直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)....................................7</p><p>　　1.3．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)........................

24、...............8</p><p>　　1.3.1 傳統(tǒng)控制方法.............................................8</p><p>　　1.3.2現(xiàn)代控制方法..............................................8</p><p>　　1.3.2.1 變結(jié)構(gòu)控制......

25、.....................................8</p><p>　　1.3.2.2魯棒控制..............................................8</p><p>　　1.3.2.3自適應(yīng)控制............................................9</p><p>

26、　　1.3.2.4模糊控制..............................................9</p><p>　　1.3.2.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制..........................................9</p><p>　　1.4.論文的主要研究?jī)?nèi)容..........................................9&l

27、t;/p><p>　　第2章 風(fēng)力機(jī)變槳距調(diào)節(jié)原理........................................10</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)......................................10</p><p>　　2.1.1 風(fēng)能的計(jì)算...............................

28、...............10</p><p>　　2.2葉素理論.....................................................13</p><p>　　2.3槳距角的控制.................................................14</p><p>　　2.2.1 風(fēng)力機(jī)的變漿

29、距控制原理..................................14</p><p>　　2.4變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)...................................15</p><p>　　2.4.1 啟動(dòng)狀態(tài)...............................................15</p><p>

30、;　　2.4.2 欠功率狀態(tài)............................................15</p><p>　　2.4.3 額定功率狀態(tài)...........................................16</p><p>　　2.5本章小結(jié)...............................................

31、......17</p><p>　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模...................................17</p><p>　　3.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).................................17</p><p>　　3.2變槳系統(tǒng)..................................

32、...................17</p><p>　　3.3 風(fēng)力機(jī)模型..................................................18</p><p>　　3.4永磁同步發(fā)電機(jī)模型...........................................18</p><p>　　3.5 統(tǒng)一變槳距的模糊

33、PID 功率控制器設(shè)計(jì)..........................20</p><p>　　3.6 統(tǒng)一變槳距功率控制仿真......................................21</p><p>　　3.7 獨(dú)立變槳距控制仿真及結(jié)果分析................................23</p><p>　　3.8 統(tǒng)

34、一變槳與獨(dú)立變槳控制結(jié)果比較..............................24</p><p>　　3.9本章小結(jié).....................................................24</p><p>　　結(jié)論...............................................................2

35、5</p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................................25</p><p>　　致謝...............................................................25</p><p><b>　　第1章 緒論<

36、;/b></p><p><b>　　1.1風(fēng)力發(fā)電概述</b></p><p>　　1.1.1風(fēng)力發(fā)電的意義與前景</p><p>　　風(fēng)能是自然產(chǎn)生的取之不盡、用之不不竭而又不會(huì)產(chǎn)生任何污染的可再生資源。它因空氣流動(dòng)做功而提供給人類的一種可利用的能量，因此被人們廣泛應(yīng)用。由于科學(xué)水平的進(jìn)步，和風(fēng)能自身清潔、環(huán)保的特點(diǎn)，風(fēng)能被應(yīng)用到發(fā)電

37、行業(yè)。早在很久以前它就被人們稱為“藍(lán)天白煤”。</p><p>　　人類對(duì)于風(fēng)能的利用始于很久以前，最早可追溯到公元前3000年，可以說(shuō)人類對(duì)于風(fēng)能的利用與關(guān)注從那時(shí)就開始了，而真正將風(fēng)能用于發(fā)電是在19世紀(jì)。丹麥建成了世界上第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置。但在其后的一段時(shí)間，世界處在對(duì)煤、石油的開采的滿足下，加上技術(shù)的不成熟，風(fēng)能發(fā)電并沒(méi)有得到及時(shí)的發(fā)展。</p><p>　　受1973年世界范圍內(nèi)

38、的石油危機(jī)和空氣動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展的影響，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，人們開始重新審視，再次將視覺(jué)轉(zhuǎn)向風(fēng)力。風(fēng)電以其自身獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，作為新能源的一部分才重新有了新的快速的發(fā)展。因此風(fēng)能發(fā)電設(shè)施日趨進(jìn)步，大量的生產(chǎn)降低了成本，風(fēng)力發(fā)電也被普遍應(yīng)用。從1981年到1992年發(fā)電量的增長(zhǎng)率就達(dá)到了13%。到2008年，全球以風(fēng)力產(chǎn)生的電力約有 94.1 百萬(wàn)千瓦，這已超過(guò)全世界用電量的1%。風(fēng)能雖然對(duì)大多數(shù)國(guó)家而言還不是主要的

39、能源，但在1999年到2005年之間已經(jīng)成長(zhǎng)了四倍以上。而目前風(fēng)電保持著30%每年的增長(zhǎng)率，大有與其他發(fā)電行業(yè)相媲美的趨勢(shì)。</p><p>　　目前發(fā)電成本已接近常規(guī)發(fā)電方式，風(fēng)電規(guī)模也受國(guó)家政策及能源發(fā)展趨勢(shì)的影響高速擴(kuò)大，風(fēng)電技術(shù)得到明顯提高。在2003年底，我國(guó)就已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)40座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1042臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)567.02MW，世界各地的風(fēng)電場(chǎng)更是數(shù)不勝數(shù)。雖說(shuō)我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)有明顯提高，

40、但較之世界發(fā)展水平就遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，特別是一些發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)一些風(fēng)機(jī)依賴于國(guó)外進(jìn)口或者與外商合作生產(chǎn)，現(xiàn)在生產(chǎn)的最大風(fēng)電機(jī)組功率接近1000千瓦，國(guó)際主流機(jī)型兆瓦級(jí)風(fēng)電設(shè)備在我國(guó)僅僅處于研發(fā)階段。這說(shuō)明風(fēng)電在我國(guó)還有非常廣闊的發(fā)展空間。</p><p>　　我國(guó)是世界上風(fēng)能最為豐富的國(guó)家之一，世界風(fēng)能也極為豐富，近乎無(wú)盡。因此風(fēng)力發(fā)電對(duì)于我乃至全球都具有十分廣闊的發(fā)展前景。首先，風(fēng)能無(wú)污染，可再生，而且資源豐富。風(fēng)電的

41、發(fā)展具有重大的意義。其次，過(guò)去幾十年經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，致使環(huán)境受到嚴(yán)重的污染。目前減少二氧化碳排放成為世界關(guān)心并要求共同實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，因此具有節(jié)能減排特征的風(fēng)能的應(yīng)用成為近來(lái)能源發(fā)展的方向。</p><p>　　風(fēng)電的發(fā)展不僅與大氣環(huán)境相適應(yīng)，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)、世界安全也是分不開的。一直以來(lái)風(fēng)電的發(fā)展都受到世界經(jīng)濟(jì)和其他能源的重大影響。就目前而言，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟的、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。

42、隨著風(fēng)輪機(jī)的大型化、高效化，風(fēng)力發(fā)電的成本在不斷下降，風(fēng)電價(jià)格已能與石油、煤、天然氣這些不可再生能源發(fā)電及核能競(jìng)價(jià)。風(fēng)能自身可再生性，經(jīng)濟(jì)性，豐富性優(yōu)勢(shì)得到極大體現(xiàn)。而且在賦稅方面還受到國(guó)家的優(yōu)惠，假以時(shí)日，風(fēng)電極有可能能與水電一比高低。</p><p>　　21世紀(jì)是高效、潔凈、安全、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)利用能源的時(shí)代，世界各國(guó)都在向此方向發(fā)展，都把能源的利用作為科研領(lǐng)域的關(guān)鍵允以關(guān)注。而通過(guò)歷史的篩選，及近年來(lái)全球新能

43、源的發(fā)展動(dòng)向，我們可以看出風(fēng)能將成為能源開發(fā)的重要角色，而風(fēng)電也將隨之得到極大的發(fā)展。</p><p>　　1.1.2世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀</p><p>　　世界上第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電的國(guó)家是丹麥，丹麥在1890年制造了第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)也加大對(duì)風(fēng)力設(shè)備的研究力度，風(fēng)能之所以如此受歡迎的主要原因是： </p><p>　　1）開發(fā)利用可再生能源是落實(shí)

44、科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求。充足、安全、清潔的能源供應(yīng)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基本保障。從根本 上解決我國(guó)的能源問(wèn)題，不斷滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，也是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的基本要求。</p><p>　　2）風(fēng)能的成本與水電，火電相比下較低，維護(hù)也較簡(jiǎn)單。</p><p>　　風(fēng)力是一種潔凈的自然能源，其運(yùn)行與維護(hù)成本均

45、很低廉, 同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。</p><p>　　從丹麥建立第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始，截至1910年，已經(jīng)有幾百臺(tái)5-25kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在丹麥運(yùn)行，同年美國(guó)荷蘭等國(guó)家也都有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。1997年末，全世界約有7816mw的風(fēng)力發(fā)電得到了利用。其中歐洲的風(fēng)力發(fā)電為4774mw，美洲為1680mw，亞洲為1107mw，其他地區(qū)為250mw以上。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，在2001年到2005年的5年期間，全世界

46、的新增風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量約為3900mw。2007年，全球風(fēng)能發(fā)電新增裝機(jī)容量超過(guò)了20GW。這也是全球新增風(fēng)能裝機(jī)總?cè)萘縿?chuàng)記錄的一年。</p><p>　　1.1.3我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電情況</p><p>　　中國(guó)幅員遼闊，陸疆總長(zhǎng)2萬(wàn)多公里，海岸線1.8萬(wàn)多公里，風(fēng)能資源豐富。風(fēng)能資源取決于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)。并且風(fēng)能資源受地形的影響較大。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站將陸地上

47、離地10m高度資料進(jìn)行估算，得出中國(guó)風(fēng)能功率密度平均可以的達(dá)到為每平方米100w。我國(guó)風(fēng)能豐富，其資源總儲(chǔ)量達(dá)到了32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億kW，近海能利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW，共計(jì)約10億kW，是一個(gè)十分豐富的潛在能源庫(kù)，在中國(guó)未來(lái)的發(fā)展當(dāng)中肯定將是一個(gè)巨大的幫助。</p><p><b>　　圖1 </b></p><p>　　

48、我國(guó)的風(fēng)能資源分布廣泛，風(fēng)能資源的分布與天氣氣候有著十分密切的關(guān)系，我國(guó)風(fēng)能資源的發(fā)布從上圖可以清楚的看出，風(fēng)能資源可以分為豐富地區(qū)和較豐富地區(qū)兩個(gè)大帶里。</p><p>　　三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶，風(fēng)能資源功率密度在每平方米200w到300w之間。其中個(gè)別地區(qū)風(fēng)能更為豐富，例如：達(dá)坂城、阿拉山口等其風(fēng)能功率密度可達(dá)到每平方米500w，可利用小時(shí)在5000小時(shí)以上。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是三北處于中

49、高緯度地區(qū)。　　　　2）沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富，其形成的主要天氣氣候背景與三北地區(qū)基本相同，所不同的是海洋與大陸兩種截然不同的物質(zhì)所形成的。沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能功率密度是每平方米200w以上。其中東山、大陳、馬公等地區(qū)風(fēng)能功率密度更是達(dá)到了每平方米500w，可利用小時(shí)數(shù)約為7000-8000小時(shí)。</p><p>　　我國(guó)風(fēng)能分布區(qū)及占全國(guó)面積的百分比</p><p>　　太陽(yáng)輻射

50、到地球的能量約有2%轉(zhuǎn)化成了風(fēng)能，我國(guó)潛在風(fēng)能的估算：風(fēng)能總儲(chǔ)量為32.26億kw，實(shí)際開發(fā)10%，并且考慮到風(fēng)輪實(shí)際掃略面積為計(jì)算面積的0.785倍，所以實(shí)際可開發(fā)量為2.53億kw?！　　　?lt;/p><p>　　1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及自動(dòng)控制、空氣動(dòng)力學(xué)、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)等多門學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化

51、為機(jī)械能進(jìn)而再轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)完成風(fēng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化；電機(jī)及其控制系統(tǒng)完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　1.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型有三種：和基于變速恒頻技術(shù)的變速型機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本的技術(shù)特征主要是水平軸、上風(fēng)式三葉片風(fēng)機(jī)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展，變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型

52、，其特點(diǎn)是在變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用了轉(zhuǎn)速可在大范圍變化的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)或者同步電機(jī)及其相應(yīng)的電力電子技術(shù)，通過(guò)對(duì)最佳葉尖速比的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在的風(fēng)速下可以獲得最佳的功率輸出。</p><p>　　1.2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展已經(jīng)越來(lái)越迅速，單機(jī)容量也越來(lái)越大，并且已經(jīng)從恒速恒頻發(fā)電技術(shù)過(guò)渡到了變速變頻發(fā)電技術(shù)，機(jī)組也是越來(lái)越可靠

53、，維護(hù)量也越來(lái)越小兆瓦級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多，可分為兩類：1）應(yīng)用最廣泛的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，2）具有良好應(yīng)用前景的變速恒頻直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。</p><p>　　1.2.2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)</p><p>　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要是由風(fēng)力機(jī)、雙向變頻器、增速箱、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和控制器等組成的。其中雙饋電機(jī)必須要配合變頻器使用。雙饋發(fā)電機(jī)的定子之所以能實(shí)現(xiàn)恒壓恒頻的

54、輸出是因?yàn)樽冾l器給轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，然后從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位。并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)要求所需的發(fā)電機(jī)的功率輸出必須能追蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)所能捕獲的最大風(fēng)能。調(diào)節(jié)有功功率可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最佳的葉尖比實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的最大捕獲。</p><p>　　變流器控制電機(jī)在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速下都保持發(fā)電狀態(tài)。在超同步發(fā)電時(shí)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子兩個(gè)通道同時(shí)向電網(wǎng)饋送能量，這時(shí)變流器將直流側(cè)能量

55、饋送回電網(wǎng)。在亞同步發(fā)電時(shí)，通過(guò)定子向電網(wǎng)饋送能量、轉(zhuǎn)子吸收能量產(chǎn)生制動(dòng)力矩使電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，變流系統(tǒng)雙向饋電，故稱雙饋技術(shù)。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　如圖所示：風(fēng)輪與雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過(guò)齒輪箱相連。定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接“AC-AC”“AC-DC-AC”或者“矩陣式”雙向變頻器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制。

56、其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法可通過(guò)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)）和IGBT （絕緣柵雙極晶體管控制技術(shù)）， 而且可四象限運(yùn)行。 </p><p>　　風(fēng)速是隨機(jī)的，要是定子頻率恒定可通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率。其控制的公式： f1=npfm±f2</p><p>　　其中：f1-定子電流頻率， fm-轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，fm=np/60；</p><p>　　np-極

57、對(duì)數(shù)；f2-轉(zhuǎn)子電流頻率</p><p>　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向分析，當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子直接接在電網(wǎng)中的時(shí)候，交直交變換器與電網(wǎng)相接。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可以分為次同步和超同步兩個(gè)階段，在根據(jù)轉(zhuǎn)子上由于轉(zhuǎn)差率的變換引起的功率傳播方向的不同，可把雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分為四個(gè)狀態(tài)：超同步發(fā)電、超同步電動(dòng)、次同步發(fā)電及其次同步電動(dòng)。</p><p>　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向如圖3所示：<

58、/p><p><b>　　圖3 </b></p><p>　　亞同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行 超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行</p><p>　　超同步發(fā)電狀態(tài)：電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率小于0。轉(zhuǎn)速方向與電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反，發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。 </p><p>　　超同步電動(dòng)：電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率

59、小于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向同向，對(duì)電機(jī)起到驅(qū)動(dòng)作用。</p><p>　　次同步狀態(tài)：電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，對(duì)電機(jī)起到制動(dòng)作用。</p><p>　　次同步電動(dòng)：電機(jī)的轉(zhuǎn)速系小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0.電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向是相同的。</p><p>　　1.2.2.2直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)</p>

60、<p>　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要特點(diǎn)是：</p><p>　　A.直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)從而免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。</p><p>　　B.直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組具備低風(fēng)速時(shí)高效率、低噪音、高壽命、減小機(jī)組體積、降低運(yùn)行維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　C.發(fā)電機(jī)的極數(shù)非常大，通常在100極左右，很好的提高了發(fā)電效率。同時(shí)

61、發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)也變得非常復(fù)雜，體積龐大，需要進(jìn)行整機(jī)吊裝維護(hù)。</p><p>　　D.永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī)(以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)時(shí)，變頻器設(shè)置在發(fā)電機(jī)定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻交流電，經(jīng)整流和逆變，最終轉(zhuǎn)換成恒頻電源再并網(wǎng)發(fā)電，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4</p><p

62、><b>　　圖4</b></p><p>　　驅(qū)發(fā)電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為電勵(lì)磁和永磁兩種。其中直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是近年的研究技術(shù)，該技術(shù)用永磁材料替代原來(lái)的電勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕。</p><p>　　直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器要完成以下功能： 1)最大限度捕獲風(fēng)能;</p><p>　　2)較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，適

63、用于風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行; 3)可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率;</p><p>　　4)采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)可以抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率。</p><p>　　直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)有的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1）齒輪箱的減少，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少了傳動(dòng)損耗，提高的了發(fā)電機(jī)組的效率、穩(wěn)定性和可靠性（尤其在低轉(zhuǎn)速下）。</p><p>

64、　　2）齒輪箱舍去同樣也省去了齒輪箱的制造成本和維護(hù)費(fèi)用，因此直驅(qū)式發(fā)電機(jī)降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。 </p><p>　　3)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓下降，風(fēng)機(jī)在一定的電壓范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的訪問(wèn)性能</p><p><b>　　其主要缺點(diǎn)如下：</b></p><p>　　變頻器的使用增

65、加了電機(jī)的成本，同時(shí)也導(dǎo)致控制體積變大。</p><p>　　(2)永磁發(fā)電機(jī)功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償；</p><p>　　(3)永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素，同時(shí)發(fā)電發(fā)熱產(chǎn)生高溫可能會(huì)降低永磁材料的穩(wěn)定性，導(dǎo)致永磁材料失效。而且高價(jià)的磁性材料也增加了電機(jī)的造價(jià)。</p><p>　　1.3．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)  

66、        </p><p>　　1.3.1 傳統(tǒng)控制方法</p><p>　　當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。因?yàn)轱L(fēng)速的不確定性和采用了線性控制方法，所以傳統(tǒng)的控制方法只能保證在線性化工作點(diǎn)。</p><p>　　1.

67、3.2 現(xiàn)代控制方法</p><p>　　1.3.2.1 變結(jié)構(gòu)控制</p><p>　　變結(jié)構(gòu)控制是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一種，適用于線性及非線性系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。具有一些優(yōu)良特性，尤其是對(duì)加給系統(tǒng)的攝動(dòng)和干擾有良好的自適應(yīng)性。。</p><p>　　1.3.2.2 H∞魯棒控制</p><p>　　H∞魯棒

68、控制是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)比較成功且比較完善的理論體系，也一直是國(guó)際自控界的研究熱點(diǎn)。它在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了數(shù)學(xué)模型所不具有的不確定性。相比于傳統(tǒng)控制方法有較好的優(yōu)勢(shì)。H∞控制理論是現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)變化趨勢(shì)也適應(yīng)實(shí)際工程而誕生的需要，設(shè)計(jì)理念的本質(zhì)是塑造（loopshaping）系統(tǒng)的頻率特性，并通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的頻域特性獲得預(yù)期的特性的方法，正是工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)手段,也是經(jīng)典控制理論的根本。</p><p&g

69、t;　　1.3.2.3自適應(yīng)控制</p><p>　　研究對(duì)象的自適應(yīng)控制具有不同程度不確定性，這里所謂的“不確定性”是描述被控對(duì)象和環(huán)境的不完全確定的數(shù)學(xué)模型，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。這些不確定性往往體現(xiàn)在系統(tǒng)，有時(shí)系統(tǒng)外..在系統(tǒng)中，描述被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不知道。對(duì)系統(tǒng)外部環(huán)境的影響可以在很多干擾表達(dá)..這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。此外，還有一些測(cè)量的不確定性時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)。在

70、各種不確定性和不確定性的因素下如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫沟媚骋恢付ǖ男阅苤笜?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問(wèn)題。</p><p>　　1.3.2.4模糊控制</p><p>　　模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專家</p><p>　　的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)表示為語(yǔ)言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素

71、的影響，對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)象有較強(qiáng)的魯棒性。"模糊"是人類感知萬(wàn)物，獲取知識(shí)，思維推理，決策實(shí)施的重要特征。"模糊"比"清晰"所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制，越來(lái)越受到風(fēng)電研究人員的重視。</p><p>　　1.3.2.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制</p><p

72、>　　網(wǎng)絡(luò)控制是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和控制理論的產(chǎn)品。這是發(fā)展的課題。它匯集了數(shù)學(xué)，生物學(xué)，生理學(xué)，遺傳學(xué)，腦科學(xué)，人工智能，計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科，自動(dòng)控制理論，技術(shù)，方法和研究結(jié)果。在控制領(lǐng)域，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)稱為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，屬于智能控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是學(xué)習(xí)能力，屬于學(xué)習(xí)控制，是智能控制的一個(gè)分支。</p><p>　　1.4論文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電作為發(fā)展最快的新能

73、源之一，已經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。各國(guó)政府研已經(jīng)投身到了新能源的爭(zhēng)奪戰(zhàn)中。該課題的主要任務(wù)就是在研究國(guó)內(nèi)外變槳距系統(tǒng)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)變槳距結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，及對(duì)獨(dú)立變槳系統(tǒng)控制的研究。</p><p>　　所做的具體內(nèi)容科總結(jié)為：</p><p>　　首先廣泛查閱國(guó)內(nèi)外的先關(guān)文獻(xiàn)資料，了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和最新成果，在此基礎(chǔ)上，對(duì)變槳距結(jié)構(gòu)和風(fēng)力電機(jī)組的變槳控制問(wèn)題

74、進(jìn)行綜述。</p><p>　　討論了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)以及運(yùn)行狀態(tài)；利用空氣動(dòng)力學(xué)理論，葉素理論，總結(jié)變槳控制的基本規(guī)律。</p><p>　　確定風(fēng)力機(jī)的模型、永磁同步發(fā)電機(jī)模型，簡(jiǎn)歷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制模型，描述和模擬其動(dòng)態(tài)特性，將統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的結(jié)果和獨(dú)立變槳系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比較。</p><p>　　對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)的研究成果工作提出展望。&

75、lt;/p><p>　　第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距調(diào)節(jié)原理</p><p>　　2.1 空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)</p><p>　　2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的計(jì)算</p><p>　　由流體學(xué)得，氣流的動(dòng)能為：</p><p><b>　　E=1/2mv2</b></p><p>

76、;　　其中：m一氣體的質(zhì)量；v一氣體的速度。</p><p>　　設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體的體積為V，則</p><p><b>　　V=Sv </b></p><p>　　如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為</p><p><b>　　m=ρV=ρSv</b></p>

77、<p>　　這時(shí)氣流所具有的動(dòng)能為</p><p><b>　　E=1/2ρSv3</b></p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　如圖5：V1是距風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速；V通過(guò)風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際風(fēng)速， V2風(fēng)輪機(jī)較遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速。</p><p>　　假設(shè)空氣是不能

78、壓縮的，那么風(fēng)就是連續(xù)的，符合連續(xù)條件：</p><p>　　S1v1=Sv=S2v2</p><p>　　由Euler公式得出作用在風(fēng)輪上面的力：</p><p>　　F=ρSv（v1-v2）</p><p>　　所以其吸收的功率為：</p><p>　　P=FV=ρSv2（v1-v2）</p><

79、;p>　　從風(fēng)輪上游到下游，動(dòng)能的變化量為：</p><p>　　ΔE=1/2ρSv（v21-v22）</p><p>　　可得出： v=（v1-v2）/2 </p><p>　　則得出作用在風(fēng)輪上的力和功率分別為：</p><p>　　F=ρSv（v21-v22）/2</p>

80、<p>　　P=ρSv（v21-v22）(v1+v2)/4</p><p>　　根據(jù)數(shù)學(xué)原理，將上式進(jìn)行微分在令其微分結(jié)果為零，得到兩個(gè)解：v2=-v1（沒(méi)有物理意義）；v2=v1/3，此時(shí)具有最大的功率。由此可以得出：</p><p>　　Pmax=8ρSv21/27</p><p>　　將上式中的Pmax與想比其結(jié)果就是Cpmax（理論最大風(fēng)能利用系

81、數(shù)），其表達(dá)式為： </p><p>　　由上式可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從自然風(fēng)中索取的風(fēng)能是有限的。而且風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用率系數(shù)Cp< 0.593.風(fēng)能利用系數(shù)是衡量風(fēng)力機(jī)運(yùn)行效率最重要的指標(biāo)之一，表示為：Cp（λ，β）=2P/ρSv3</p><p>　　其中．λ葉尖速比，β槳葉節(jié)距角。用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來(lái)衡量不同狀態(tài)下的不同工作情況，葉尖速比：λ=2ΠRn/v=ω

82、R/v</p><p>　　其中n-是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；w是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角的角速度；R-風(fēng)輪的直徑。那么風(fēng)能利用率Cp可以近似表示為：</p><p>　　由此繼續(xù)的出Cp-λ的特性圖，如下：</p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　有圖6信息可得出：</b></p>

83、<p>　　對(duì)于一個(gè)固定的槳葉節(jié)距角下，存在唯一的Cpmax</p><p>　　對(duì)于任意的一個(gè)葉尖速比，槳葉角=0下的Cp相對(duì)最大，并且隨之槳葉節(jié)距角增大，風(fēng)能利用率系數(shù)Cp明顯減小。</p><p>　　由上訴可得出變速恒頻變槳距控制的理論基礎(chǔ)：</p><p>　　風(fēng)速比額定風(fēng)速低時(shí)的轉(zhuǎn)速控制

84、 在這個(gè)情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可以不受到功率限制，此時(shí)槳葉節(jié)距角為0，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過(guò)變速恒頻裝置來(lái)跟蹤最佳Cp捕獲最大風(fēng)能，并輸出電能頻率不變。</p><p>　　風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速控制</p><p>　　風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來(lái)完成的。高風(fēng)速下風(fēng)輪的功率控制方法主要是有兩個(gè)的：1）利用

85、發(fā)電機(jī)的反力矩；2)利用槳葉槳距角。這個(gè)兩個(gè)量的改變都能達(dá)到控制功率系數(shù)的目的。</p><p><b>　　2.2葉素理論</b></p><p>　　所謂的葉素就是把風(fēng)輪分為若干個(gè)微元。其受力分析如下：</p><p><b>　　圖7 </b></p><p>　　利用數(shù)學(xué)知識(shí)取一dr的長(zhǎng)度，

86、玄長(zhǎng)為l ，節(jié)距角β。當(dāng)風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候會(huì)受到斜向上的一個(gè)力dF，可將dF分解為與角速度ω垂直和平行方向</p><p>　　的上升力dL和阻力dD。由微分學(xué)原理dS=ldr。得出公式：</p><p>　　dL = C l lw 2 dr</p><p>　　dD= C d lw 2 dr</p><p>　　其轉(zhuǎn)矩T= rlw

87、 2 Cl sinI ( 1- co tI ) dr </p><p>　　Cl , Cd 為升力系數(shù)和阻力系數(shù)</p><p>　　葉素上的速度與作用力如圖所示：</p><p><b>　　其攻角α=φ-β</b></p><p><b>　　圖8 </b></p><p&

88、gt;<b>　　2.3槳距角的控制</b></p><p>　　2.3.1 風(fēng)力機(jī)的變漿距控制原理</p><p>　　對(duì)于變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)直接控制載荷轉(zhuǎn)矩，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速允許在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。風(fēng)速比額定風(fēng)速低時(shí)的轉(zhuǎn)速控制時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的運(yùn)行可以不受到功率限

89、制，此時(shí)槳葉節(jié)距角為0，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過(guò)變速恒頻裝置來(lái)跟蹤最佳Cp捕獲最大風(fēng)能，并輸出電能頻率不變。風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來(lái)完成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能產(chǎn)生的功率，其表達(dá)式為：P=Cpρv3S/2 風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能為: </p><p><b>　　PMEC=TΩ</b></p><p>　　Ω≈ρ

90、pCPR2v3/2</p><p>　　其中 </p><p>　　式中：Pm一機(jī)械能；T一風(fēng)機(jī)機(jī)械矩；Q一風(fēng)機(jī)角速度；S一風(fēng)輪迎風(fēng)面積這里的扭矩丁是負(fù)載決定的.</p><p>　　風(fēng)速一定，一定負(fù)載的情況下，P、R一常量?？傻蔑L(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速取決與風(fēng)力利用率Cp，由葉素特效理論得出理想情況下氣流與葉片個(gè)角度關(guān)系：F=α+β tgF=v

91、/Ωr=1/λ</p><p>　　其中：α-攻角；β-槳距角；F-傾角；λ-葉尖速比。再由力度平衡關(guān)系，風(fēng)力機(jī)機(jī)械扭矩：</p><p>　　其中；Cq-扭矩系數(shù)；R-風(fēng)輪半徑。</p><p>　　對(duì)于一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，若風(fēng)度和風(fēng)向一定時(shí)候，若增大攻角，升高系數(shù)Cl將變大，升阻也將增大，扭矩系數(shù)Cq也會(huì)增大。功率系數(shù)Cp與扭矩系數(shù)Cq的關(guān)系： CP=CQR

92、Ω/v=Cqλ </p><p>　　得知功率系數(shù)正比于扭矩系數(shù)，所以當(dāng)攻角增大的情況，Cp也會(huì)跟著增大；反之風(fēng)能利用率Cp減少。在一般情況下，變漿控制中用槳距來(lái)描述，當(dāng)槳距角增大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，反之，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。槳距定義為：H=2prtgβ</p><p>　　所以通過(guò)改變風(fēng)力機(jī)安裝角就改變了槳距H，就可以待變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速w，這就是風(fēng)力機(jī)變槳距控制的原理。&l

93、t;/p><p>　　2.4變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)</p><p>　　變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有三種運(yùn)行狀態(tài),分別是：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。</p><p>　　2.4.1 啟動(dòng)狀態(tài)</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的沒(méi)啟動(dòng)時(shí)候，節(jié)距角為90度。槳葉相當(dāng)于一塊阻尼板，這個(gè)時(shí)候氣流不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

94、。開始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)候槳距角開始變化，將會(huì)產(chǎn)生攻角，確保風(fēng)輪受到最大力矩的作用開始轉(zhuǎn)動(dòng)，但是此時(shí)發(fā)電機(jī)組并沒(méi)有開始工作。在并網(wǎng)之前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制變槳距系統(tǒng)的節(jié)距給定額值。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角 。為了并網(wǎng)的安全和對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響減小到最小，變槳距系統(tǒng)可以跟隨在同步轉(zhuǎn)速附近，等待最佳并網(wǎng)時(shí)機(jī)。</p><p>　　2.4.2 欠功率狀態(tài)</p><p&

95、gt;　　欠功率狀態(tài)是指當(dāng)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。這時(shí)候的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是相同，獲得的功率取決與槳葉的氣動(dòng)性能。從理論上說(shuō)，根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)輪可在限定的任何轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，以便最大限度地獲得能量，但由于速度的限制，為了有效地獲取風(fēng)能的同時(shí)，保證安全運(yùn)行，必須階段分為兩個(gè)和風(fēng)速，最大允許轉(zhuǎn)速和區(qū)域額定功率有關(guān)的區(qū)域：1）變速運(yùn)行區(qū)域(Cp恒定區(qū))；2）恒速運(yùn)行區(qū)域。&l

96、t;/p><p>　　模式I：變速、最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax。</p><p>　　為了讓捕獲的風(fēng)能達(dá)到最大，當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)必須通過(guò)跟蹤最大風(fēng)力利用系數(shù)來(lái)Cpmax來(lái)實(shí)現(xiàn)效率的最大化。此時(shí)風(fēng)力機(jī)葉片槳距角夕被固定在最優(yōu)值βopt。在給定風(fēng)速v下，需要通過(guò)不斷的調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使工作在最佳葉尖速比λopt。為了保證葉尖速比在最佳值，需要通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速跟蹤速度參考值

97、ωopt。速度參考值可以表示為ωopt=λoptvw/R式中：R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑。</p><p>　　模式II：定速、變?nèi)~尖速比</p><p>　　這是一個(gè)中間區(qū)域，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到限制，風(fēng)能利用系數(shù)Cp兆瓦直驅(qū)變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的印刷會(huì)降低，但風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能，將繼續(xù)增加。</p><p>　　2.4.3 額定功率狀態(tài)</p>&

98、lt;p>　　當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)在額定功率狀態(tài)，在傳統(tǒng)的節(jié)距控制模式，那么速度控制切換到功率控制，變槳距系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)控制。對(duì)于一個(gè)給定的值的額定功率控制信號(hào)，功率反饋信號(hào)與給定值比較，當(dāng)功率大于額定功率，葉片槳迎風(fēng)面積減小的方向旋轉(zhuǎn)，反之亦然迎風(fēng)面積增加方向旋轉(zhuǎn)</p><p>　　本文只針對(duì)大風(fēng)速時(shí)實(shí)施的槳距角控制進(jìn)行討論，風(fēng)機(jī)變槳原理圖如下：</p><p

99、><b>　　圖9</b></p><p>　　模式Ill：變速、定功率輸出</p><p>　　當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)，由于風(fēng)機(jī)的機(jī)械和電氣極限必須限制從風(fēng)，即捕獲的能量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸出功率保持在極限值。對(duì)應(yīng)的第二和第三狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)速的大小，最大速度與發(fā)電機(jī)額定功率允許，變速變槳距風(fēng)力機(jī)可分為三個(gè)工作狀態(tài) 如圖所示：</p><p>&l

100、t;b>　　圖10 </b></p><p>　　V0——風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速。</p><p>　　V1——達(dá)到最大允許轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)速。</p><p><b>　　V2——額定風(fēng)速。</b></p><p><b>　　V3——切出風(fēng)速。</b></p><p>

101、;　　當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速后，為了保證安全可靠運(yùn)行、獲得最大風(fēng)能、有好的電能質(zhì)量，系統(tǒng)將會(huì)停機(jī)。</p><p>　　由此可以總結(jié)出發(fā)電機(jī)的基本控制策略：</p><p>　　1）低于額定風(fēng)速時(shí)，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以獲得最大風(fēng)能；</p><p>　　高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角來(lái)限制風(fēng)能捕獲，保持輸出功率恒定；</p><p>　　當(dāng)風(fēng)

102、力發(fā)電機(jī)需要脫離電網(wǎng)的時(shí)候，變槳距系統(tǒng)會(huì)先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使得發(fā)電機(jī)組減小功率，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開之前，功率減小到零，這意味著當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開時(shí)，沒(méi)有轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，避免了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上每次脫網(wǎng)的時(shí)候所要經(jīng)歷的突甩負(fù)載的過(guò)程。 </p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要內(nèi)容是：空氣力學(xué)、葉素理論和以及葉素的作用力與速度

103、，并且在這個(gè)的基礎(chǔ)上研究了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的控制原理和三種運(yùn)行狀態(tài)，以及是調(diào)節(jié)槳距角輸出功率的關(guān)聯(lián)。</p><p>　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模</p><p>　　3.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖所示直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的主要組成部分有：葉片、轉(zhuǎn)子、定子、控制柜等。控制柜、變槳系統(tǒng)等都安裝在機(jī)艙殼內(nèi)。系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)速來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?gòu)?/p>

104、而達(dá)到跟蹤最大風(fēng)能捕獲的效果。</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　3.2變槳系統(tǒng)</b></p><p>　　變槳結(jié)構(gòu)如下圖所示，其主要結(jié)構(gòu)有變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱、內(nèi)齒變槳軸承。</p><p><b>　　圖12</b></p>

105、;<p><b>　　3.3 風(fēng)力機(jī)模型</b></p><p>　　風(fēng)力機(jī)的參數(shù)葉尖速比、風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)力捕獲的機(jī)械功率、風(fēng)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩如下：</p><p>　　1)葉尖速比 ：λ=2ΠRn/v=ωR/v</p><p>　　2）風(fēng)能利用系數(shù)：Cp（λ，β）=2P/ρSv3</p><p>　　3）風(fēng)

106、力捕獲的機(jī)械功率：Pmec=Cpρv3S/2</p><p>　　4）風(fēng)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩：TM=ρπR3CPv3/λ</p><p>　　3.4永磁同步發(fā)電機(jī)模型</p><p>　　本文在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的永磁同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　　式中：</b></p><p&g

107、t;　　Id-直軸電流；iq-交軸電流；</p><p>　　Ld-直軸電感；Lq交軸電感；</p><p><b>　　Ra為定子電阻；</b></p><p>　　ωe為電角頻率，ωe=npωg；np為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)；λ0為永磁體的磁鏈；</p><p>　　Ud-交軸電壓分量；Uq-交軸電壓分量。</p

108、><p>　　定義q軸的反電勢(shì)eq=ωeλ0，d軸的反電勢(shì)已ed=0，假設(shè)發(fā)電機(jī)d軸和q軸電感相等 1.23 ，即Ld=Lq，則上一個(gè)式子可寫為：</p><p>　　3.5 統(tǒng)一變槳距的模糊PID 功率控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　PID 控制器是以其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。模糊的傳統(tǒng)PID相較與PID有明顯得優(yōu)勢(shì)，它不僅克服了線性控制的問(wèn)題，還能很

109、好的適應(yīng)非線性系統(tǒng)。</p><p>　　PID控制室偏差比例（P）、偏差積分（I）、偏差微分（D）控制的簡(jiǎn)稱。其模擬的框架圖如下：</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法，其模糊條件語(yǔ)句為：</p><p>　　。其中： E——功率偏差；EC——功率偏差的變化率

110、；U——槳距角變化量。</p><p>　　控制規(guī)則選取的基本原則是，當(dāng)功率偏差較大時(shí)，以考慮快速消除偏差為主；當(dāng)功率偏差較小時(shí)，主要考慮避免過(guò)大超調(diào)，保證 1.37 系統(tǒng)穩(wěn)定。在Simulink中，可搭建的模糊PID控器模塊如下圖所示。</p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　3.6 統(tǒng)一變槳距功率控制仿真<

111、/p><p>　　統(tǒng)一變槳距功率控制是機(jī)組起動(dòng)后變槳距系統(tǒng)最主要的任務(wù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的控制效果是評(píng)變槳距系統(tǒng)的重要依據(jù)。根據(jù)統(tǒng)一槳距功率控制原理建立機(jī)組各部分模型的連接。提出PID 整定策略，并依此總結(jié)出模糊控制規(guī)則，再由模糊運(yùn)算法則，推出模糊控制查詢表（略）。</p><p>　　仿真的電機(jī)模型的數(shù)據(jù)如下表所示，采用國(guó)產(chǎn)兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組 如下表。總的系統(tǒng)仿真Simulink模型如圖

112、15b所示。統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖16所示。</p><p><b>　　圖15</b></p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　風(fēng)速是隨機(jī)變化的，由以上結(jié)果可得：</p><p>　　節(jié)距角β跟蹤風(fēng)速而變化；</p><p>　　氣動(dòng)軸向力隨風(fēng)速