风力发电变桨距控制系统研究.docx
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风力发电变桨距控制系统研究
毕业论文
风力发电变桨距控制系统研究
学生姓名：
XXXX学号：
XXXXXX
系部：
自动化
专业：
自动化
指导教师：
XXXXX
二〇一一年六月
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月
摘要
能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。
传统的化石燃料虽能解决能源短缺的问题，却给环境造成了很大的破坏，而风能具有无污染、可再生、低成本等优点，所以其受到世界各国的重视。
可靠、高效的风力发电系统的研发己经成为新能源技术领域的热点。
然而，因为风能具有不稳定性、能量密度低和随机性等特点，同时风电厂通常位于偏远地区甚至海上，自然条件比较恶劣，因此要求其控制系统必须能够实现自动化运行，并且要求控制系统有高可靠性。
所以对风力发电机组尤其是大型风电机组的控制技术的深入研究就具有相当重要的意义。
本文首先在对风力发电原理，风电机组研究的基础上从变桨距风力机空气动力学研究入手，分析了变桨距控制的基本规律，再结合目前国内主流的变桨距控制技术分别设计出了液压变桨距控制，电动变桨距控制的方案，最后在此基础上提出了一种较为理想的控制策——半桨主动失速控制。
关键词：
风力发电，变桨距控制，伺服系统
Abstract
Energyandenvironmentisthehumansurvivalanddevelopmentofthepressingproblemswhichshouldbesolved.Thetraditionalfossilfuelcansolvetheenergyshortage,butgiveenvironmentcausedthemostdamage,andwindhaveclean,renewableandlowcost,soitsadvantagesbyworldattention.
Reliableandefficientwindpowergenerationsystemresearchanddevelopmenthavealreadybecomethehotnewenergytechnologies.However,becausethewindisinstability,energydensitycharacteristicssuchaslowandrandomness,andwindpowerplantareusuallylocatedinremoteareasandevenatsea,naturalconditionispoor,soaskitscontrolsystemmustbeabletorealizeautomaticoperation,andaskedforthecontrolsystemhadhighreliability.SoforWTGespeciallylargewindgeneratorcontroltechnologyresearchisofvitalsignificance.
Thispaperfirstlyintheprincipleofwindpowergeneration,basedonthestudyofthewindgeneratorfromgettingawayfromawindturbinepropellerairdynamicsresearch,analysesfromthebasiccontrolvariableOARS,coupledwiththecurrentdomesticlawchangefromthemainstreamoftheOARSweredesignedcontroltechnologyfromcontrolhydraulicchangepropeller,electriccontrolschemeofvariablepropellerfromlast,basedonthis,advancesamoreidealcontrolstrategy-halfoaractivestallcontrol.
Keywords:
Windpower,Fromcontrolvariableoar,Servosystem
第一章绪论1
1.1风能1
1.2风能发电的历史与现状2
1.3风力发电技术的发展3
1.4风力发电的前景4
1.5本章小结5
第二章风力发电机组概述6
2.1风力发电的原理6
2.2风力发电机组的组成6
2.3风电机组的分类7
2.3.1按功率控制方式分类8
2.3.2按发电机控制方式分类的风力机组8
2.4风力发电控制系统简介9
2.4.1变桨距系统10
2.4.2偏航系统11
2.4.3制动系统11
2.5本章小结12
第三章风力发电变桨距控制系统简介13
3.1风力发电的空气动力学基础13
3.2贝茨理论13
3.3风轮机15
3.4风轮机的特性系数15
3.5变桨距与定桨距16
3.5.1定桨距16
3.5.2变桨距17
3.5.3定桨距与变桨距的比较17
3.6变桨距控制过程18
3.7变桨距风力机组的运行状态分析19
3.7.1启动状态19
3.7.2欠功率状态19
3.7.3额定功率状态20
3.8变桨距控制的特点20
3.8.1输出功率特性20
3.8.2风能利用率20
3.8.3额定功率21
3.8.4启动与制动性能21
3.8.5对机械部件的影响21
3.9本章小结21
第四章变桨距控制系统的设计22
4.1所涉及设备介绍23
4.1.1GEPACSysteRX3i控制器简介23
4.1.2PACSystemsRX3i性能24
4.1.3PACSystemsRX3i模块简介24
4.1.4运动模块DSM324i介绍25
4.1.5伺服电机选型27
4.2方案设计28
4.3液压变桨距控制系统设计28
4.3.1液压变桨距控制系统28
4.3.2液压变桨距结构28
4.3.3变桨控制系统的设计29
4.4液压变桨距控制系统评估33
4.5电动变桨距控制系统设计33
4.5.1独立变桨距控制分析34
4.5.2统一变桨控制系统38
4.6电动变桨距软件设计39
4.7电动变桨距系统评估41
4.8液压变桨距与电动变桨距的比较42
4.9最佳控制思想42
总结43
参考文献44
致谢44
附录45
第一章绪论
1.1风能
随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高，对能源的需求越来越大。
化石燃料是人类最早利用的能源之一。
从18世纪开始，即随着英国产业革命的发生和发展，化石资源—最先是煤炭，然后是石油和天然气，就逐步替代柴草进入人类社会生活的各个方面，并有力地推动着社会生产力的发展。
虽然到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限性和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。
充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件。
1996年联合国环境署报告指出：
从现在到2020年，全球能源消耗将比现在增长50%到100%，由此造成温室效应的气体排放将会增加45%到90%，从而会带来灾难性后果。
为了制止地球的温暖化，为了人类尽快走出燃碳时代，构建一个稳定的可持续发展的社会，各国正掀起一股追求不排放CO2，不污染环境、清洁发电的热潮。
太阳能、风能、水能、潮汐能等都是可再生的清洁能源，其中以风能利用的技术最为成熟，最为广泛。
风能利用的最主要型式就是风力发电，风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。
据理论计算全球大气中风能总的能量是1017kW，而且是可再生的，估计大约有3.5×1012kW的蕴藏风能可以被开发利用，这个价值至少比世界上可利用的水能大10倍，而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题，同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。
尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、制造和安装过程中需要消耗一定的化石能源，进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则是微不足道的。
从表1.1可以看出风力发电具有显著的环保效益。
据专家计算，风力发电每1kW/时一般可以减少消耗0.31～0.34kg标准煤，同时还会减少排放CO20.835～0.93kg，以及一定数量的NO2，SO2及粉尘灰碴等。
CO2会导致温室效应，空气中的NO2和SO2会产生酸雨，粉尘污染空气，灰碴需占用土地堆放和处理。
而风力发电则不同其作为绿色能源的一种，己深受全世界的重视。
正如美国著名学者、美国地球政策研究所所长莱斯特·布朗在他的新书《B模式》中指出：
我们要提倡风力发电，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭；又可以在很大范围内取得非常干净，没有污染，不会对气候造成影响。
目前，还没有任何一种能源有这么多的优点。
因此风能是一种对环境和人类都友好的真正的无污染的能源，其是改变全球能源与环境冲突的最有效方式之一，而这其中以风力发电最为广泛。
表1.1不同能源对环境影响对比表
能源
空气污染
气候改变
土地使用
水质污染
野生动物
辐射
煤
极高
极高
高
高
高
低
石油
高
高
中等
中等
中等
近乎为零
天然气
中等
高
中等
低
低
近乎为零
水电
近乎为零
中等
高
高
近乎为零
近乎为零
核电
近乎为零
低
低
高
高
极高
太阳能
近乎为零
低
高
近乎为零
近乎为零
近乎为零
风能
近乎为零
极低
低
近乎为零
近乎为零
近乎为零
1.2风能发电的历史与现状
世界上第一个利用风力发电的国家是丹麦。
1890年，丹麦制造了人类社会第一台风力发电机。
到1910年时，已有几百台5~25kW的风力发电机组在丹麦运行。
同年荷兰、美国等国家也都有风力机发电机组的运行。
风力发电的应用最初在边远地区，应用的方式主要有：
①单独使用小型风力发电机，供家庭住宅使用；②风力发电机与其它电源联用，可为海上导航设备和远距离通信设备供电；③并入地方孤立小电网，为乡村供电。
在此后的一段时间内，由于风力机机械故障频发和发电成本较高，而且石油价格下降、能源供应状况好转，因而风力发电并没有得到足够的重视，几乎没有得到什么发展。
风力发电技术真正得以大的发展是在本世纪50年代中期之后，在这段时间里，由于火电造成的环境污染日益严重，而且正逐步耗尽人类有限的矿物资源，导致人们对可再生能源包括风能越来越重视，特别是1973年石油危机以来，经过几十年的努力，风力发电机机组得到了日新月异的进展，风力发电逐步从科研走向产品，从实验走向实用。
回顾世界风电发展历史，大致可以分为三个阶段：
第一阶段，1977~1987年
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