陈亮论文初稿.docx
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陈亮论文初稿
目录
引言
第1章风力发电概述·················································
1.1风力发电的重要性·············································
1.2国内外风力发电现状···········································
1.2.1世界风电发展概况·········································
1.2.2我国风电发展情况·········································
1.3风力发电结构及发展趋势·······································
1.3.1风力发电机组结构简介····································
1.3.2风力发电技术的发展趋势··································
1.4本文的研究目的和主要内容······································
第2章风力发电控制系统分析··········································
2.1风力发电机变桨距控制系统研究·································
2.1.1风力发电机组的控制方式···································
2.1.2风力发电系统变桨距控制原理································
2.2控制系统的实现················································
2.2.1变桨距控制系统···········································
2.2.2速度控制器···············································
第3章模糊控制的引入················································
3.1模糊控制的基本原理············································
3.2模糊控制器的设计··············································
3.2.1模糊控制器的输入输出······································
3.2.2选择描述输入和输出变量的词集······························
3.2.3定义模糊变量的模糊子集····································
3.2.模糊化方法····················································
3.2.5模糊控制规则的设计········································
3.2.6模糊量到精确量的转化······································
3.2.7量化因子和比例因子········································
第4章系统仿真与实现·················································
4.1MATLAB仿真过程·············································
4.2结论··························································
风力发电机变桨距模糊控制系统的研究
摘要：
通过对国内外风力发电技术的发展现状了解和应用技术的研究，知道最大风能的捕获和利用，一直是提高风力发电系统风能利用率研究的一个方向，其中风力发电系统变桨距的研究为最多。
因此，风力发电系统变浆距控制器的结构研究和设计为本文的研究内容。
针对影响风力发电系统变浆距的外部条件和内部因素参数众多，风力的不可确定性、随机性、时变性等特点，将模糊控制引入到风力发电变浆距控制系统中，即可行、又实用。
本文讨论用模糊控制器作为变桨距控制器的控制手段，在风速高于额定转速风速的情况下，根据风速的变化和传动轴转速的变化调整桨叶节距角，从而调节风轮轮毂的转速并保证与齿轮箱的有效结合，使风力发电机输出转速保持相对稳定，以便达到发电机的输出电压和频率相对稳定的目的。
最后，利用Simulink构建风力发电系统变浆距控制器的仿真系统，对系统进行了Matlab仿真。
结果表明，使用模糊算法实现对风力发电系统的变桨距控制，具有更好的动态性能、适应能力和静态误差，为今后进一步研究奠定了良好的基础。
关键词：
风力发电；变浆距控制；模糊控制
Allstraet：
Onthebasisoftheintroductionandcontrastoftheresearchandappliedconditionsofthetechnologyaboutthewindpowersystemathomeandabroad，thedesignofVariable-pitchcontrolofthewindpowersystemisproposedinordertocapturethemaximunavailablewindpo-werspeed．Themathematicalmodelofthewindpowergenera—tionsystemiscomplex，stronglyaffectedbythevaryingparameterandexteriordisturbing,andhasthefeaturesofnonlinear，timechangingandcoupling．Accordingtotheaborecharacteristics，thefuzzy-logiccontrolisintroducedintothewindpowersystem．
Byusingthefuzzycontrollerasthecontrollerofthevariable·pitchsystem，whenthewindspeedishigherthantheratedspeed，theangleandthepoweroutputareadjustedaccordingtothechangeofthewindspeed，whichmakestheoutputofthewindpowerunitre—mainstable．
TheSimulinkisusedtobuildthewholecontrolsystem．TheMatlabsimulationresultshowsthatthenewwindpowersystemhasthebetterdynamicfunction，convergespeedandlesserror．
Keywords：
windpowersystem；speedcontrol；variablepitchcontroller；fuzzy-logiccontroller；Matlabsimulatio
引言
在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，作为可再生能源的风能由于其突出的优点而倍受关注，风力发电的控制技术也获得了长足的发展。
在风力发电中，由于风速变化具有随机性和不确定性，风力机最大功率追踪控制是风力发电系统中的关键技术，开发适合风力发电的最大输出控制方法，使得风力机能及时捕获到随机波动的风能，就可以提高风能转化效率，实现系统优化运行。
第1章风力发电概述
1．1风力发电的重要性
随着人类社会进入2l世纪和经济的飞速发展，世界各国都面临着人口、资源、环境的重大压力。
一个人口迅速膨胀的人类社会正以自人类产生以来从未有过的空前速度大量消耗着地球上亿万年前形成的极为有限的化石能源。
一切有远见的人们开始考虑如何不以牺牲后代生存环境、经济资源为代价来发展我们的社会，这也是一个可持续发展的战略问题。
煤、石油、天然气是人类社会目前最主要的能源。
这些能源都是化石燃料，来自数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉积，是远古时代的太阳能转化而被存储于地下。
它们都是不可再生的能源。
人类大规模开发煤、石油、天然气的历史不过二三百年，却已将地球亿万年来形成的极为有限的化石能源，几乎快要消耗殆尽。
据2001年联合国统计，目前世界上已探明的石油资源，只够人类使用44年，天然气仅够使用62年左右，煤炭可以使用230年。
全球目前石油储量130GT，年消耗量约3．5GT，预计今后25年中平均年消耗量将达5GT，加上新发
现的油田，专家估计总储量也不会超过200GT，全球石油资源在四五十年后也将枯竭。
人类社会即将面临能源枯竭的严重形势。
大量燃烧化石能源还带来了一个越来越引起人们注意的严重后果，即大量产生温室效应的主要气体C02。
据联合国2004年3月份莫纳罗亚岛火山顶上的气象台测量发现，大气中C02的质量分数（浓度）达到了379×10-6，大大超过了人类社会工业化前的280×10-6。
而过去10年中大气中C02含量每年增长1．8×10-6，令人担忧的是仅最近1年就急剧上升3×10-6。
最新联合国政府气候变化问题小组公布的报告表明：
目前全球的平均温度已经比2750年以来的标准温度升高了0．8℃。
数据显示当全球气温升高2℃之后，大气中的二氧化碳的质量分数是400×10-6，而达到400×10-6的水平只需要短短的10年时间。
报告甚至惊呼全球生态灾难的降临已经进入倒计时。
如果人类不采取有力措施阻止和减缓温室气体的排放，将导致地球生命生存条件的恶化，给人类社会带来严重有害的影响，如：
冰山的消融将使海平面升高；大气环流和洋流的异常将导致洪涝、干旱等自然灾害的频发：
土地荒漠化的加剧等。
各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。
上述形势加快迫使人们重视寻找和研究利用其它可再生的清洁能源即新能源，主要有风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等。
从20世纪90年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。
我国常规能源（煤、石油和天然气）探明总资源量约为8200亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1500亿吨标准煤，按照2020年的能源消费总量计算的话，常规能源仅能够满足25年的使用，也就是说，到2045年，我国有经济效益的，并容易开采的常规能源将消耗殆尽。
综合资源、技术、经济、环保四因素，大规模发展风力发电是解决我国能源问题短缺的最现实的战略选择。
1．2国内外风力发电现状
1．2．1世界风电发展概况
风电一直是世界上增长最快的能源，装机容量每年增长超过30％。
到2003年底，全球风力发电装机容量达到4030万KW，即总量已经相当于40座标准的核电站。
可供应4000万欧洲居民的电力需求。
1997---2002年世界风电市场的增长情况如表l一1所示。
近几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。
由表1-1可看出：
5年内总装机容量的增长速度平均增长率为33．2％；5年内新增装机容量的增长速度平均增长率为35．7％。
表1-11997-2002年世界风电市场的增长情况
年度
总装机量（kw）
增长速度
新增装机容量（kw）
增长速度
1997
736.3
156.8
1998
1015.3
33%
259.7
66%
1999
1393.2
37%
392.2
51%
2000
1844.9
32%
449.5
15%
2001
2492.7
35%
682.4
52%
2002
3203.7
29%
722.7
6%
2008年底全世界并网的装机容量达到13374．6万KW，到2020年底，风电在全球的装机容量可以达到12亿KW。
在欧洲，德国一直引领着世界风电市场的发展。
德国在2002年新增的风电装机容量已经达到324．7万KW。
并且制定了一个新的风电发展规划，到2025年风电至少占总用电量的25％。
丹麦、西班牙和法国的风电也在高速发展。
西班牙2003年新增装机容量达138万KW，年增长速度为60％，法国核电一直占法国全部电力的80％，但
近来也转向大力发展风电，其年增长率高达60％。
丹麦已成功用风电来满足国内18％的电力需求，是世界上风电贡献率最高的国家。
在亚洲，截至2003年底，印度风电装机容量已达213万KW，已成为全球第五大风电生产国。
表1-2为截止2003年世界主要风电国家装机容量发展水平。
表1-22003年世界主要风电国家装机容量情况
排名
国家
截止2003年底装机容量
2003年新增装机容量
1
德国
1461
297
2
西班牙
642
138
3
美国
636
169
4
丹麦
308
22
5
印度
213
42
6
意大利
92
12
7
荷兰
94
23
8
英国
76
20
9
中国
57
10
10
日本
76
28
世界
4030
827
1．2．2我国风电发展情况
我国的风能资源十分丰富，据中国气象科学研究院估算，全国平均风能密度为100W／m2，10m高层的风能资源总储量为32．68亿千瓦，其中实际可开发利用的陆地风能资源量为2．53亿千瓦。
东南沿海及附近岛屿，新疆、内蒙古和甘肃河西走廊，东北、西北、华北和青藏等地区属我国的风资源丰富区，每年风速在3m／s以上的时间近4000d、时左右，一些地区年平均风速可达7m／s以上，具有很大的开发利用价值。
我国的海上风能也很丰富，海上风速高，而且很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。
海水表面粗糙度低，风速随高度的变化小，可以降低塔架高度，海上风的湍流强度低，没有复杂地形对气流的影响，减少风电机组的疲劳载荷、延长使用寿命。
一般估计风速比平原沿岸高20％，发电量增加70％，在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年。
1986年4月我国第一个风电场在山东荣城并网发电。
从1989年起，全国各地陆续引进机组建设风电场，装机容量逐年增长，到2003年底，中国已经在14个省、自治区建立了40个风电场，累计安装风电机组1061台，总装机容量达到568．41MW。
风电装机位居世界第九位，亚洲第二位，装机规模达到新的水平。
除去已经拆除和不能运行的机组，2003年底实际装机1017台，564．45MW，约占中国电力总装机量的0．15％，约占世界风电总装机容量的1．4％。
辽宁、新疆、内蒙古和广东是中国风电发展最快的4个省份，它们占全国
风电总装机容量的71．4％。
在已建成的风电场中，装机容量居前3位的风电场依次为新疆达坂城二场（82．8MW）、广东南澳风电场（56．78MW）和内蒙古辉腾锡勒风电场（42．7MW），它们的装机容量占全国风电总装机容量的32．1％。
目前风力发电的成本相对较高，上网电价高于常规能源发电，缺乏市场竞争力，因此，风力发电的发展离不开国家政策的大力支持。
我国在促进风力发电发展方面也给出了一些激励政策，如在20世纪90年代中后期实施的“双加”工程和“乘风计划"，使我国风电机组的制造水平有了较大提高，2003年，我国启动
了可再生能源立法工作，并实施了首批风电特许权项目，这对我国今后风电将产生重要的促进作用。
相信在国家有关部门的关心支持下，我国风电的发展前景会更加广阔。
1.3风力发电结构与发展趋势
1.3.1风力发电机组结构简介
风力发电机一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等主要部件组成。
图1-2是目前常用的风力发电机组并网应用下的总体结构示意图。
图1-2风力发电机组总体结构图
风力发电最主要的设备就是风力发电机组。
从能量转换的角度看，风力发电机组
部分组成：
其一是风轮，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。
风力发电包含两个能量转换过程：
即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。
在由风能转换为电能的过程中，由于风速变化具有随机性和不确定性，风力机最大功率追踪控制是风力发电系统中的关键技术，开发适合风力发电的最大输出控制方法，使得风力机能及时捕获到随机波动的风能，就可以提高风能转化效率，实现系统优化运行。
1．3．2风力发电技术的发展趋势
经过20多年的不断发展，风力发电机组的技术形式逐步形成了目前最为常见的水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。
进入21世纪之后，随着现代电力电子技术的不断发展，新材料的涌现以及工艺的不断完善，世界风力发电技术又向前迈进了一大步，主要表现如下：
（1）风力发电单机容量继续稳步上升
在风力发电领域内，出于效率和发电成本的考虑，更大容量的风力发电机组在近些年中一直是所有风机研究、设计和制造商所最求的目标。
（2）变桨调节方式迅速取代失速功率调节方式
采用变桨调节方式能充分克服失速调节方式的主要缺点，即：
风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率有所下降。
所以变桨调节方式得到了迅速得应用。
1.4本文的研究目的和主要内容
变桨距风力机己经成为当今国际风力机生产的主流方向，我国变桨距执行机构和控制器研究方面都刚刚起步。
本文以风力发电变桨控制系统为研究课题，从原理分析、算法研究仿真和电动变桨距控制系统设计几个方面进行研究。
将模糊控制理论应用到风力发电变桨距控制系统中，并通过最后的仿真验证其可行性。
第二章风力发电控制系统分析
2.1风力发电机变桨距控制系统研究
2.1.1风力发电机组的控制方式
风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电机系统主要是由风力机和发电机两部分组成。
在风速低于额定风速时，调节发电机转子转速，尽可能最大地捕获风能，这就是转速控制；而当风速高于额定风速时，由于风电自身机械电气强度的限制，以及电网对供电品质的要求，希望发电机输出电压稳定在额定电压左右，也就是风力机轮毂转速基本恒定，这就是转速控制。
转速控制的方式一般可以分为定桨距控制和变桨距控制。
随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，风力发电控制技术也得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速控制方向发展。
变桨距调节具有其突出的优点，桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够吸收尽可能多的风能转化为电能，同时在高风速段保持电压平稳输出。
因此，为了使系统能够获得最大的能量输出，风力发电机组一般采用如下的控制策略：
在风速低于额定风速的情况下，采用发电机转速调节的方式，使风力发电机获得最大能量输出；在风速高于额定风速的情况下，采用变桨距调节的方式，系统工作在转速恒定区，使风力发电机组的输出转速保持稳定。
2.1.2风力发电系统变桨距控制原理
系统采用同步发电机作为风力发电机，按照为了使系统获得最大功率输出而制定的控制策略，在风速高于额定风速的情况下，通过设计的变桨距系统，采用变桨距调节方式，限制转速变化的幅度，提高传动系统的柔性和输出的稳定性，使电压输出保持稳定。
系统采用模糊控制器作为变桨距系统的控制器，在风速高于额定风速的情况下，根据风速的变化调整桨叶节距角，从而调节发电机的输出转速。
2.2控制系统的实现
2.2.1变桨距控制系统
图2-1变桨距控制系统框图
如图2-1所示，在风力发电机并网前，风力发电变桨距控制系统由速度控制器、节距控制器、变距机构、风轮、增速器（变速齿轮箱）、发电机这几个主要部件组成。
当有风力加到叶轮上时，叶轮开始转动，轮毂测速机构也开始运行，并将测得的数据直接反馈给速度控制器A，由速度控制器A根据轮毂反馈信号与给定信号直接控制，进而控制节距控制器，由变距机构具体执行。
从而控制风轮桨距角，实现对风轮转速的有效控制。
2.2.2速度控制器
当风力发电机组从待机状态进入运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到60°，风轮在空转状态进入同步转速。
当转速从0增加到3000r/min（也可设定其他值）时，节距角给定值从60°线性地减小到45°。
这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。
速度控制器结构图如图2-2所示。
图2-2速度控制器结构图
第3章模糊控制的引入
3.1模糊控制的基本原理
模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑规则推理为基础，模拟人的思维和推理方式的一种自动控制理论。
模糊控制的特点是，能将操纵者或专家的与控制系统相关的知识和经验，表示成基于语言变量的模糊控制规则，然后利用这些规则去控制未知的或难以建立精确数学模型的系统。
图3-1模糊控制系统框图
如图3-1所示，模糊控制系统可以分为四个部分:
（l）模糊控制器:
这是模糊控制系统的核心部分，它实际上是一台微型计算机，根据系统需要，既可选用系统机，又可选用单板机或单片机。
（2）输入/输出接口装置:
模糊控制器通过A/D（模/数）转换接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过D/A（数/模）转换接口，将其转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。
在1/0接口电路中，还包括必要的多路转换开关，采样保持器等电路。
（3）广义对象:
包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的，定常或时变的，也可以时单变量或多变量的，有时滞或无时滞的以及强干扰的多种情况。
被控对象缺乏精确的数学模型的情况宜选用模糊控制，但也不排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可以采用模糊控制方案。
（4）传感器:
任何一个计算机反馈控制系统都必须有传感器。
传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转化为电信号的一类装置。
传感器在反馈控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。
模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。
在本文中，我们以一维模糊控制器为例来说明实现一步模糊控制算法的过程:
微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e。
选误差e作为模糊控制器的一个输入量。
把误差e的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示。
至此，得到了误差e的模糊语言集合的一个子集E（E实际上是一个模糊向量）。
再由E和模糊控制规则R（模糊关系）根第二章模糊控制器的分析据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U为:
U=EoR
式中U为一个模糊量。
为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量U转化为精确量，这一步在图中称为去模糊化处理。
得到了精确的数字控制量后，经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控制对象进行一步控制。
然后，中断等待第二次采样，进行第二步控制……，这样循环下去，就实现了被控制对象的模
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