毕业设计（论文）-直驱式风力发电机组变桨距系统设计.doc

学号业设计题目： 直驱式风力发电机组变桨距系统设计 作 者 届 别 2015届 系 别 机械工程学院 专 业 机械电子工程 指导教师 职 称 副教授 完成时间 2015年5月17日 摘要现在，市场上应用最好的就是采用独立变桨距控制的发电机组，它最主要的特点就是能够用风力机叶片轴心处的风俗对各个叶片进行同步控制。但是由于风力发电机的容量在增长中，所以风力机的叶片也会越来越长，因此风力机上的叶片载荷会越来越大，而实际上，由于与地面之间会存在摩擦，而且风速也会随着高度的变化而变化，风力机风轮扫略的风速随着高度的变化而变化，这些个问题都会影响到风力机的使用寿命。本文将会使风力机的独立变桨距控制部分分成两个部分：一部分是集中变桨距控制的部分；第二部分是修正变桨距控制部分。本文采用非线性PID控制来对集中变桨距控制器进行设计，以使的风力发电机组的输出功率始终维持在一定的范围内；再通过采用状态反馈控制以及极点配置的方法来设计修正变桨距控制器，来减小风力机叶片上的载荷。然后，通过把各个叶片上的集中变桨距角和修正变桨距角之和来作为叶片的独立变桨距角输入风力机，这样便可以对风力机进行控制。我们在阶跃的风速和随机的风速下对风力发电机进行数字仿真的研究，结果表明独立变桨距控制能够减少风力机叶片上的载荷，从而有助于增加风力机的使用寿命，而且具有非常好的动态性能和静态误差。状态反馈在风力机发电机的节点位置具有非常好的调节作用，但是如果对系统的动态特性需要非常高的要求时，基于状态反馈的独立变桨距控制系统的设计就难以达到要求。关键词：变桨距；节距角；发电机AbstractAt present ,variable pitch control with turbine is widespread in the market. This wind turbine uses the wind speed on the axis of the blade as the reference wind speed of wind blade synchronous control. In fact , because of the existing of ground friction,the wind speed if changing with the height and the wind speed in the surface of revolution of the wind blades. With the increasing of the wind turbine capacity,the difference of the blade wind speed with different spin high degree is gradually increasing,making the loads of the blades tend to gradually increase,this problem has seriously affected the wind turbine life.The state feedback control has a good regulating effect in the vicinity of a wind turbine stable point,but if the system is required relatively high of dynamic performance, it is difficult for the independent variable pitch control based on the feedback to achieve the design intention. The amended pitch plus the collective pitch is the independent pitch. Through the simulation of the wind turbine under the step and the random wind ,it follows that the independent variable pitch control of wind power generation system can reduce the loads of blade and extend service life of wind turbine, on condition that the output power is kept stable . Keywords: Variable pitch ；Pitch Angle； generator目录摘要第一章 绪论11.1选题的背景、目的及意义11.2国内外风力发电发展现状及发展趋势31.2.1世界风力发电发展状况41.2.2我国风力发电发展状况41.2.3风力发电的发展趋势5第二章 变桨距系统方案设计72.1变桨距控制原理及控制过程82.2统一变桨距功率控制10第三章 风力发电机组变桨距控制113.1风力机的空气动力学基础 113.2风力机桨叶的气动力123.3风力13第四章 基于反馈的独立变桨距控制器144.1基于状态反馈的风力机独立变桨距控制154.2非线性PID控制器164.3基于极点配置的状态反馈控制器164.4集中变桨距控制器设计16第五章 控制系统软件设计185.1控制系统的建模设计185.2控制系统的仿真实验205.3控制系统的结论分析24第六章 结论与展望25参考文献24致谢27第一章 绪论1.1选题的背景、目的及意义在现代社会，我们的经济建设离不开能源。能源的利用与开发是我们非常关心的问题。随着我国经济的高速发展，人们对于能源的需求日益增大，同时也产生了越来越多的环境问题，如大气污染、水环境恶化与矿物质能源的枯竭等。这些问题给人们的发展提出了很多新的问题，也给人们的发展提出了新的要求，从而使人们越来越关注于可再生能源的开发与利用，越来越多的科技工作者开始研究可再生资源的开发。因此，改变能源结构，开创可再生能源，减轻环境污染，提高人们的生活水平等已经成为现代能源发展的必经之路。而风力发电正是人们通过大气环流的过程将风能转化为电能的过程，是重要的一种发电形式，为可再生能源。随着社会的发展和革新，传统的能源已经越来越不能满足人们对额要求，并且传统的能源物质伴随着有环境污染等现象。尤其是煤炭、石油等能源每年都在不断的减少，不仅加剧了能源危机，并且容易引发各个国家或者地区之间的纷争，导致邻国之间发生战争。因此，从人类的可持续发展的过程来看，我们十分有必要去加强对于可再生能源的开发与利用。因而，在近些年来，洁净的可再生资源的到越来越多的国家政府部门的重视。从20世纪80年代开始世界能源危机以来，各国之间就开始加强国家间的相互合作，投入了大量的人力、物力和财力，来开发和研究新能源和可再生能源的利用。无论是太阳能、风能、潮汐能等各个方面都取得了突破性的进展。其中又以风能领域的研究突破最大。众所周知，风能是一种没有污染的能源之一，取值不尽，用之不竭。对于一些缺水、缺能源和交通不方便的牧区、岛屿、高原地带等，这些地方的风力资源都比较丰厚，具有非常大的开采潜能，非常适合风能的开采利用，同时又能够解决该地区能源短缺的问题，大有可为。风能的利用是通过将风能的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，这样就实现了风能发电。通过在地面上安装几台或者几十台的风力发电机组，然后将他们并联在一起，通过计算机进行统一的控制，并网发电，为电网供电的这种电能利用的方式我们成为风力发电机组。大体上风力发电机组可以分为三部分：风轮、发电机和铁塔。大规模开发利用风能的主要方式是风能发电，这也是世界上现在的一种主要的发展趋势。我国目前所具有的风能资源非常的丰富，而且发展的潜力非常大。据了解，我国目前所具有的风能资源总量为32亿MW，可开发利用的风能总共有13亿MW。其中，陆地上的风能占有量为2亿kW，海上的风能储量为11亿kW。在2009年底，我国的风力装机的总量已经达6亿kW。自20世纪90年代以来，我国的风力发电技术发展迅速，装机容量的总规模从1990年的20MW发展到了目前200年底的490MW。虽然我国的装机规模非常高，但相比于美国等发达国家而言，我国的增长速度远远落后于欧美强国，没有达到发达国家的标准。由于我国存在地区发展差异，而且有不同的市场原因和管理方面的问题，因此，我国的风力发电技术发展非常缓慢。随着中国经济的不断发展，国家在风力发电方面的投入不断的加大，投入大量的精力，把开发可再生的绿色资源放在国家能源发展战略的优先地位。据目前的了解，风能是已知的最清洁的新能源，也是一种非常好的可再生资源，这将为我国风力发电的发展提供一个非常好的发展平台。风力发电设备和装置通常都要求被放在位置比较远的郊区、岛屿、荒漠地区，因此，对于其中存在的技术问题、运行过程及管理过程都存在着很大的问题。与火力发电、核电不同，风力发电的单机容量相对较小，占用的面积非常大，而且比较难监控，一旦发生事故，维修起来也比较麻烦，因此，为了保证每一个风电场都能够正常的运行，就需要研发质量可靠的，性能优异的直驱式风力发电机组。风力发电的关键技术就是风力发电的控制系统的设计，这也是风力机组能够正常运行的关键所在。直驱式风力发电机组大体可以分为风轮、发电机和铁塔三个部分。风轮是把风的动能转化为机械能的一个非常重要的部件 ，它是由三只螺旋桨叶组成的。当风吹向螺旋桨叶是，根据气动理论，螺旋桨叶由于受力会发生转动。这里对于螺旋桨叶的要求非常高，要求强度要高，但是质量要小，目前采用最多的就是玻璃钢和其他的复合材料来制造。由于风轮的转速比较低，而且风速的大小和方向经常改变，所以这使的风轮的转速不稳定；因此，在发动机带动之前，一定要将附带的一个风轮提高到额定的发电机转速的齿轮变速箱，再通过增加一个调速机构来使得转速维持在一定的范围内，然后我们再将他们连接到发动机上。为了保持风轮能够获得一个较大的功率，我们在风轮的背面还需要加装一个尾舵。铁塔是风力机风轮、尾舵以及发电机的构架。因此，它一般都会修的非常高，目的就是为了能够获得较大而且均匀的风力，而且需要足够的强度。另外，铁塔的高度会视地面障碍物的高度来影响风速的情况。发电机的作用就是把风轮的转速调节到一定的状态。然后通过升速传递给发电机构来使得风力机能够均匀的运转，从而能够使得机械能能够转变成电能。对于不同的机型，每一种机型的控制系统都是不一样的，都需要有相应的一套软硬件设备。传统的都是基于普通的PID控制的系统相应的都非常具有缺憾，这也是风力发电机能够继续发展的不绝的动力。变速恒频机组的特点已经得到研发部门级社会的认可，不久的将来将会成为主流机型。但是如果它自己要想通过自身的调节达到减小风速波动冲击的目的是非常难的。由于在自然界的风的方向是不定向的，尤其是在额定的风速的条件下，风力发电机有可能产生很大的静态或者动态的冲击。变桨距所指的是借助于控制技术和动力系统，通过改变安装在风力机组上叶片的桨距角的大小，从而来改变风力机的气动性能，改善风力机组的受力状况。本文所要研究的问题是在电动变桨距控制的条件下，如何是风力发电机组的控制更加方便，更加可靠。我们采取两种不同的控制方式相互贯通的方法，从而实现有效的管理，使得各个投资及管理方面都能够得到很好的运行，实现有效的监控、远程的统一监控。一旦这种控制系统通过科研实验得到验证，风力场的运行可以不受传统的风力控制系统的限制，并且该种控制系统可以节约成本，提高风电场的经济利益，促进经济的可持续发展，为人类提供源源不决的能源。1.2国内外风力发电发展现状及发展趋势综合国内外的风力发电的情况，我们知道美国在1941年研制并建立了当时世界上最大的一台风力发电机组，其发电能力为1500kW，在当时来说已经是一个相当伟大的成就了。到了70年代的时候，世界上的许多国家都开始研究并且生产大型的风力发电机组。风力发电的发展在世界上迅速的发展，而且进步的速度让人惊叹。计算表明，我们只需要利用地面风力的1%，就能够满足当时全世界的用电量。由此可知，风力是一个非常大的能源宝库。1.2.1世界风力发电发展状况 风力发电发展的较快的国家主要有美国、澳大利亚、加拿大和日本等，到2009年底，全球已经有700万的用户开始使用绿色能源。在2005年，我国也在可再生能源的建设上取得了很大的进步，同时出台了可再生资源法，法律出台后使我国成为第六个实施可再生能源发电的发展中国家。尽管到达地球的太阳能仅有2%的转化为了风能，但是这2%的风能就足以满足全世界的能源供应，可利用的风能达到27000MW，总的 发电量为13000MW。经过科学的计算预计到2019年，全世界的风力发电机的装机总量将会达到1900000MW,年发电量将达到整个世界电量需求的23%。风力发电已经成为各个国家争先发展的新型能源。据了解，欧洲的风力发电的总量已经相当于35座核电站的发电量。1.2.2我国风力发电发展状况 我国的风力发电起步较晚，但是发展速度相当快。2005年，可再生能源法被我国立法机关审查通过，法律明确的指出了有关风能、太阳能等均为可再生能源，并且确定了我国以后的能源的发展目标，即优先发展可再生能源等清洁能源，将可再生能源的发放在优先地位，尤其强调风能的重要性，风力发电是一种非常方便而且有效利用的能源。我国确定了节能减排的目标，相应的要大量减少火力发电，减少煤、石油、天然气的使用量。为了减少二氧化碳的排放量，国家加强可再生能源与核能，并且制定了关于2020年要求的将非石化能源占有一次能源消费的比重达到15%左右，使二氧化碳的排放量价低到40%-45%左右。同时，国家出台了很多的国家战略，使得风电产业的发展非常迅速，同时，也使的我国的经济走上了一个新的台阶。我国的风力发电进入商业化的时间是上世纪80年代，经过了30年的高速发展，风力发电已经进入黄金时期，进入了一个高速的跨越式的发展阶段，预计到2015年我国的风力发电总量有望突破7000万kW。到2009年底，我国的风电产业已经跻身世界第二了。我国的风力发电技术的发展过程同我国其他先进科技技术的发展过程一样，采取引进、消化吸收，再自主创新的模式。我国目前最大的风力发电机组的容量是5MW，使得我国的风力发电机组迈向兆瓦级的发展阶段。与此相比而言，我国的风力机组的很多的零部件仍需要从国外进口，由于相关的技术还不成熟，譬如说变流器、主轴承等。所以，我国的风力发电机的发展还有很长的一段路要走，各种技术难题还需要各个专业的人才一起努力共同进行研究，需要我们在装备制造业上加强自主创新能力，加强风力机核心技术的公关，特别是技术设备，这些都需要单独的设立项目进行攻关。1.2.3发展趋势1. 大型化现在在整个世界来说，风力发电技术已经相对来说成熟了，但是还存在着一些改进的方面。未来的风力发电机组将向着越来越大的方向发展，风力发电机组的功率也将相应的越来越大，同时制造成本也会相应的加大，运输与安装的难度也会越来越难，风力发电机的等级绝大部分将是MW级。2. 变桨距技术现在世界上所使用的风力发电机都是兆瓦级别的，这些投入商业运营的发电机都是采用了变桨距技术，有变频技术的配合，使得风力发电机的效率和电能的质量都有了非常大的提高，能够使得风力发电机在各种的环境下都能够最大限度的利用风能，得到更多的电力。另外，现在的变桨系统采用了液压系统，这样就有了重量轻、转矩大、不需要变速机构且技术成熟的优点。3. 变速恒频风力发电机 所谓的变频就是通过改变电流的频率，通过电机发出交流电，把它作为风电，但是这是一种不稳定的电流，由于这种电流的存在，故风电以前也被称为垃圾电力。就目前而言，世界上的绝大部分的风力发电机组都是恒速运行的，从而能够保证风力机的转速保持恒定状态，维持最佳的叶尖速比，让风力机的风能利用系数维持在一个较高的水平。另外，我们在对风力发电机设计的时候，应将风力发电机的系数相应的设计的大一些，以满足以后风力发电机以后的运行，加大其安全系数的设计。如果风力发电机采取变速设计的话，当风速发生阶跃的跳动的过程，风速的增加会产生巨大的动能，一部分风速能量会被风轮所吸收，剩余的风能会通过高速运动的风储存在风中，这样我们就可以避免轴承和中间的受力机构发生破坏。当风速下降的过程中，通过电子控制，我们可以将风中储存的能量一点一点的释放出来，将释放出来的动能转化为电能，送进电网。通过风速的加速、减速的阶跃性的变化使得风轮起到缓冲作用，这对于保护好风轮叶片具有非常重要的好处。另外一个变速运动的优点就是变速运动可以降低风速运动过程的噪音，减小振动，使运行非常平稳，并且可以使我们的设计与以前有很大的不同。第二章 变桨距系统方案设计 变桨距系统的设计是直驱式风力发电机系统的非常重要的一部分。下面为风力电机控制系统图。图2.1风力发电机控制系统图变桨距控制系统是直驱式风力发电机系统最为重要的一部分，是核心技术。国外现在研究的直驱式风力发电机组能够将模糊控制、专家控制和网络等控制技术融为一体，并且工作起来能够做到天衣无缝，运行的效果非常令人满意，其技术的成熟性已经非常好了。就我国目前的变桨距技术而言的话，相差世界水平还有相当的距离。我国的变桨距控制技术的起步相对比较晚，技术也不太成熟。通过将模糊控制应用于变桨距控制的方法可以将风力机组的作用发挥到极致，可以通过独立变桨距功率控制和相应的计算机仿真二者的仿真结果进行比较，从而提供一个适合于我国国情的直驱式风力发电机组变桨距控制系统的国有化设备，并设计出相应的设计理论。控制回路中共有3个控制环：位置环、速度环和转矩环。一般情况下，位置环采用闭环设计，速度环采用比例积分控制规律，转矩环采用空间矢量控制。当然，位置环主要是为了达到精确的位置控制，速度环和电流环分别用于实现快速的跟踪和动态响应。在电动变桨距伺服控制中，主控制器给出位置命令值，与位置反馈进行比较；位置调节器的输出就是速度调节器的输入，进行比例积分；速度调节器输出转矩命令值，与反馈值比较后，差值送到转矩调节器中，输出就是转矩电流给定值，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上，从而达到对转矩的控制。三相永磁同步电机交流伺服系统大致有三相永磁同步电机、速度和位置传感器、变频器以及控制器等四部分组成。三相永磁同步电机主要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料和形状的永磁体，用以产生恒定磁场，无励磁绕组。逆变器将频率可调的交流电输入电枢绕组中。脉宽调回路以一定的频率产生触发功率器件的控制信号，使功率逆变器的输出频率与电压保持协调关系，并使流入电枢绕组的交流电流保持严格的正弦性。另外，电动变桨距的3个伺服驱动器必须在其内部实现精确的同步功能，它们之间的通信必须达到系统的整体精度要求。 2.1 变桨距控制原理及控制过程风电机的组成：风轮、增速传动机构、偏航机构、发电机、塔架和控制系统。控制系统的设计采用多分布式的微机控制原理，同时考虑风力发电系统布置的特点以及控制要求进行设计。变速系统风力发电机的系统功能由主控器、励磁控制器、变桨距控制器、交互式人机显示界面、远程微机监控程序组成。变桨距控制机构就是通过风速的不同，在桨叶上产生的力矩不同，通过控制系统计算出相应的数值，然后通过反馈控制来调节叶片的桨距角，使桨叶能够调整到合适的角度，更好的吸收风能，将其转化为电能，减少因不必要的冲击而造成的能量损失，这就是所谓的变桨距控制。通过将变桨距控制欲变速恒频技术相结合，可以使整个发电系统的发电效率和发电的质量有很大的提高。电动变桨距系统可以有三个桨叶进行变桨作业，这样可以使能量得到更好的利用，可以为风力发电机组提供足够的功率输出和制动，起到过载保护的作用。直驱式风力发电机内还包含有三个蓄电池，用来存放电能，以及轴控制盒、减速机构和伺服电机、1个总开关。整个系统通过通信总线和电缆靠滑环与控制器相连。电动机主要有定子跟转子构成，定子上装有三相电驱绕组，可以控制相应的变频电流。转子上装有特殊的材料和永久的磁体，保持好正弦型。电动变桨距的三个控制伺服驱动必须装在内部，来使其达到同步的目的，而且他们之间的通信系统必须达到整体精度要求。控制的过程主要包括三个方面：控制环、速度环和转矩环。这三个环相互连接，协调运转，使电动机能够实现快速的跟踪和动态响应。控制器可以分为主控制器和辅助控制器，主控制器所控制的部分用于调节位置命令值，与位置反馈相比较；辅助控制输出的是转矩的命令，使转矩维持在一定的水平，同时对转矩的大小进行监控和管理，同时也进行调节作用，将差值送到转矩调节器中，让后将输出的电流设定为给定值，将电流的矢量与整个磁极所产生的磁通放在一个正交的位置上，进而可以对整个的转矩进行控制。这样，我们就可以利世界上这种独一无二的可再生能源风能为我们的日常生活提供能源，通过风力发电机组生产电能。我国从70年代开始，风力发电就开始飞速的发展，经过30年的努力，中国的风电项目取得了举世瞩目的成就，开创了一大批的兆瓦级发电机组，同时，建造的风力发电机的总量达到了数百兆瓦，风力发电也开始从内陆发电，转向与海洋风电。由于风电项目一般在风力比较大的地区，譬如说西部的草原、高原、边远山区以及东部海岛，这些地区的自身用电都存在一些困难，所以在这些地方发展该地区自身优势，开发电能，补自己所需，可以有效的缓解该地区的用电难的问题。当生产的电力过多时，还可以向外输送。通过风力发电，可以使本地区解决基本用电问题，电灯、电视进入农村，提高了人民的生活质量水平。根据世界能源部门的统计，中国的风力发电机产业在世界上已经非常著名，十个小型的风力发电机产业的生产厂家，中国就占了7个。到目前为止，中国总共生产了将近40万台的风力机发电机组。变桨距控制的过程就是通过控制调节桨叶的桨距角，使风力能够得到更好的利用，尽可能的将风能转化为电能，捕获风轮的启动转矩。到目前为止，国内外主要就是集中变桨距控制和独立变桨距控制这两种控制方法，而集中变桨距控制是目前技术运用最成熟的一种控制方法。集中变桨距控制就是讲所用叶片的节距角控制在同一个水平，保持相同的角度，一起变动。而独立变桨控制是以集中变桨距控制为基础，是一种新型的变桨距控制理论方法。所谓的独立变桨距控制就是根据自身的条件，自己独立的控制自己的运动规律，有效的自行调节节距角，以达到最好的利用水平。2.2统一变桨距功率控制统一变桨距控制是应用的最为广泛的一种控制方法，它具有很好的鲁棒性和可靠性，而且其算法非常简单，被广泛的应用于自动控制，但是统一变桨距控制存在缺点，其不能够解决线性问题，并且不能够适应非线性系统。统一变桨距控制的原则就是，当功率偏差较大时，我们采用通过快速消除的方法为主，尽力的消除偏差；同理，当偏差较小时，我们考虑以避免过大的调节，保证系统能够稳定为主，世界工程上最常用的模糊推理的重要的一种方法就是我们Mam法，我们通过采用模糊控制器的方法使的参数整定的控制器来通过模糊控制的方法最大隶属度的方法来解模糊，最终就能够确定PID控制的模糊控制查询表。第三章 风力发电机组变桨距控制风电技术在我国的发展已经经过了30年的发展，我国的风电技术也已经相对比较好了，风力发电的自动化的程度也在一步步提高，在利用风能的过程中，我们要不断的提高风能的利用系数和优化输出的功率系数。所以，我们采用变桨距控制的方法，可以更有效的控制风力机，使其优点更好的展现出来。变桨距控制的方法就是将叶片的桨距角改变，从而改变叶片的气动特性，将这个桨叶的受力状况转向最好的一面，提高桨叶的能量输出功率，最大限度的利用风能。变桨距控制技术对于风力发电机系统具有举足轻重的作用。目前为止，国外研究的直驱式风力发电机，能够将模糊控制、系统和神经网络结合在一起进行变桨距控制领域，他们的技术已经日益成熟。现在的研究方面主要是放在模糊控制与神经网络的技术应用方面，并且有了很大的进步。在以后的发展过程中，风力发电机组将会有越来越多的采用变桨距控制技术，一起研究变桨距控制已经变得非常紧迫。本章就是在风力动力学的基础上一起讨论变桨距控制理论，分析变桨距控制理论的优点及缺点，提出了很多有关变桨距控制的问题。3.1风力机的空气动力学基础 3.1.1风能计算由流体力学可知，气流的动能为 （3.1） 设单位时间内气流流过截面积为S的气体的体积为则 (3.2)如果以表示空气密度，该体积的空气质量为 (3.3)此时气流所具有的动能为 (3.4)式即为风能的表达式。在国际单位制中，v的单位是m/s，E的单位是W。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中p和v随地理位置、海拔、地形等因素而变。3.1.2 自由流场中的风轮 风力机的创造者是德国的贝兹，在1962年提出，早起贝兹的想法是假定风轮是一种理想的，也就是没有轮辐，但是有非常多的叶片，这样当风扫过风轮的时候，由于没有阻力，那么风轮将会做高速转动，如果假定风轮叶片的受力均相等，而且气流通过风轮的方向为轴向，那么，我们可以计算出一下参数。 1、风能利用系数风能利用系数表示的是风力机从自然风能中吸收能量的大小程度。 (3.5)式中P为风力机实际获取的功率。 对于变桨距风力机，风能利用系数与叶尖速比2和桨叶的桨距角；成非线性关系。叶尖速比即为风力机桨叶尖部的线速度与风速之比 式中n为风轮的转速，r/s; w为风轮转动角速度，rad/s; R为风轮半径，m。3.2 风力机桨叶的气动力我们假设风轮旋转角为Wr,中心距离R，长度为dr的叶片元受力，相对风速是Vrel是绝对风速和相对风速的比值，那么我们可以计算出来流角I ： （3.6） 考虑涡流引起的速度变化是，a,b分别为轴向速度系数和周向速度系数，可通过叶素理论导出。本文可以采用简单风力机叶素理论，可以不考虑涡流现象，即a,b取0；虽有一定误差，但可以用于定性分析或者简单模型的定量分析。3.3 风力风能的大小程度，是衡量风力发电机发电量多少的一个重要的指标，风能利系数Cp就是指风力机从自然风能中吸收风能的比列程度，也是衡量风力机发电效率的一个非常重要的指标。每一台风力发电机都会拥有自己的风能利用系数曲线，来反映这台风力发电机的效率，并可以绘制成为二维或者三维的曲线，进一步进行深度研究，同时可以加大对于控制规律的要求。当风力发电机的功率越来越大是，风轮的尺寸就会越来越大，这样制造加工难度也会加大，进而成本加大。高速转矩的低速控制与风轮转速相耦合，需要有变速箱齿轮的啮合，采用低速的同步发电机，同时不需要采用齿轮箱，这样使结构变得简便，但是发电机的尺寸会相应的增加，质量越来越大，但是优点也会相应的增加，比如说发电的功率的增大。我们的设计采用模块化，这样可以使设计的过程变得异常简单，同时相应的成本也会减少。但是发电机产量不是很高，而且模块化成本采用本体和系统的双向相吻合，都能够是商业生产适合更好的需要。现在的绝缘栅采用的是双极晶体管，它的耐压高、电流大，而且整个系统所需的器件非常少、转换的效率很高，这样可以减小维护成本，提高系统运行的过程。输电系统的交流电风力发电机采用的是23KV-45KV的高压电，为了减小元器件数目，减小其中的体积占有量，我们对于冷却的要求也相应的增加。但是高压电也有不利的一面，高压发电机在防止电网解体，以及高压风险投资也会非常巨大。第四章 基于反馈的独立变桨距控制器 在两种条件下，风力发电机通过阶跃风速和随机风速的条件进行了数字仿真，通过它的结果，我们就能够验证独立变桨距控制的主要效果。当然，我们通过PID控制或者 状态反馈控制的方法也可以使风力发电机实现变桨距控制，能够将集中变桨距角和修正变桨距角的和来一起输送到风机，从而可以实现对风力发电机的桨距角的同步控制，减小风力发电机所承受的载荷，延长风力机叶片的使用寿命。4.1 基于状态反馈的风力机独立变桨距控制修正变桨距控制器 风力机的独立变桨距控制分为集中变桨距控制和修正变桨距控制两个环节。变距机构测量载荷叶片1叶片1桨距角修正变桨距控制器测量载荷叶片2功率给定变距机构叶片2桨距角集中变桨距控制修正变桨距控制器测量载荷叶片3叶片3桨距角变距机构图4.1 风力机独立变桨距控制框图通过根据风速的变化，我们可以借助变桨距控制的方法来调整叶片的桨距角，控制风力机吸收机械能的能力，保证其获得最大限度的能量，改变发电的功率输出，使它保持在一个稳定的状态，同时也可以减小风力机的冲击。风力机的修正桨距角控制是以减小载荷作为根本目的，通过风力的方向、大小，可以实现异步调节桨距角，从而减小风力机的载荷，延长使用寿命，利用状态反馈控制来实现风力机的修正变桨距控制。4.2 非线性PID控制器PID控制是一种被称之为比例积分微分的简称，PID控制仍然是一种非常广泛的控制方式之一。经典的PID控制的方法就是依据被控制对象的特征来控制模块的组成控制器，这种方法控制的最大的特点就是不需要依赖于精确的数学模型，我们可以从根本上摆脱对于工业过程的建模，特别是精确建模。在MECH/Pro中将装配体模型中的各个有相对运动的部件分别定义成刚体(rigid part)，而无相对运动的部件则可以定义为一个刚体，如推盘和推杆可定义为一个刚体。为了能够是叶片的桨距角能够达到要求，需要对导入的AD进行优化设计，进行动力学特性的分析，以及风力机转动轴等变桨距控制运动性能进行分析。以上是数据转换的过程，完成后便可以进行变桨距机构的运动学模型建立。非线性性PID控制器由一个非线性增益K和一个线性PID控制K(s)=Kp+Ki/s+Kd/s相串联，其中，Kp，Ki, Kd分别为比例、积分、微分增益。非线性增益k是一个关于误差e(t)的函数 ，e(t)=Yr(t)-Y(t),y(t)为系统的实际输出，Yr(t)为系统的期望输去。非线性增益K作用在误差e(t)上产生了一个非线性误差f（t)=k(e)e(t),线性PID控制器作用在f(t)上，通过u(s)=k(s)f(s)来驱动整个系统，这将引出非线性PID控制规律 (4.1)被控对象PID控制器非线性增益图4.2 控制框图4.3 基于极点配置的状态反馈控制器控制系统的性能我们主要是通过在复平面内系统机电的分布。为此，我们将它作为系统性能指标的一种重要形式，通常是给定一组期望的极点，然后将他们换成一组等价的期望极点，以获得尽可能大的动态特性。这在经典的控制理论中称之为根轨迹法的一种极点配置法，它的原理就是通过改变一个参数来改变整个根轨曲线配置。所以，不管系统的性能指标是什么，都可以运用这种手段，来实现极点的配置，并且获得期望值。4.3.1 反馈控制原理为了能够实现各种各样的不同的控制任务，我们将控制部分和被控对象通过一定的方式联系起来，从而形成一个非常完美的自动控制系统。通过自动控制系统，我们可以很好的控制被控对象的输出量，也就是对被控制的量进行严格的控制，同时控制装置也会对被控对象进行控制，但是基本的控制都是通过反馈控制原理的反馈控制系统。通过不断的修正控制量的大小，从而保证控制量的任务。4.3.2 极点配置极点配置的方法是通过反馈来使得闭环系统处于自己所希望的位置，通过比例反馈来改变原系统的自由运动，满足自己设计的性能。通常，在设计的过程中，我们要了解设计规定给的品质的要求，规定闭环系统应有的分布情况。极点配置能够通过状态反馈使得闭环极点任意配置，满足这一条件的充要条件就是：系统能够完全可控制。为此，我们可以列出平面上的一系列的期望极点，通过反馈的方法来选择，通过使闭环系统的极点来使得其达到我们所期望的一组极点位置，从而达到我们要求的系统综合指标。4.4 集中变桨距控制器设计根据经典的控制原理，非线性PID控制器各环节增益参数可分别按如下方法设计。1. 比例增益参数Kp。 (4.2）积分增益系数Ki. （4.3）3. 微分增益参数Kd. （4.4）非线性PID控制器的算式可表示为 （4.5）风电机组变桨距执行机构主要分为两种：伺服电机变桨距和液压驱动变桨距。两者都可以等效为一阶惯性环节，表达式为 （4.6）第5章 控制系统的软件设计5.1 控制系统的建模设计变速变桨距风力发电机组的控制系统主要分为三部分：主控制器、桨距调节器、功率控制器。系统构成如5-1图所示： 图5.1 变速变桨距风电机组控制系统构成结构图变距执行机构为偏置机构，驱动系统由缸内放置位移传感器的电液比例阀控位移系统组成，主要的控制阀采用四通换向比例阀，如图5.2所示：图5.2 变距液压执行机构结构框图PID控制是最早发展起来的一种控制策略之一，它以算法简单、快、鲁棒性好，易于实现等优点而被广泛的接受，因此，也被广泛应用于工业控制过程中。但是传统的PID控制也会存在确定，传统的PID控制对于建立精确的数学模型的确定性系统。在实际的工业应用中，特别是在工业过程中，由于存在严重的非线性，数学模型也存在着很多的不确定性，难以满足被控对象，这就需要我们提出一种新的控制技术和方法来适应这种变化。因为神经学网络具有自学功能、自适应自组织的功能，所以本文主要提出的是单神经元自适应PID控制器，以使得人工神经网络和传统的PID控制相结合。通过实验表明，我们的自适应控制PID具有良好的控制效果，控制的特性要比传统的PID控制器优越的多。系统关于输入量的开环传递函数为： (5.1) 系统关于负载的开环传递函数为： (5.2) 外界负载干扰力FL为平均值和随风速变化量的合成，可以表示为： （5.3) 缸内位移传感器测得的油缸行程y对应桨距角的转换关系为 (5.4)5.2 控制系统的仿真实验通过7.5 kW变速恒频试验机组液压变距系统设计数据，可以用MATLAB工具进行控制算法仿真分析。液压变距系统实验数据：图5.3 参数变化和负载扰动曲线各参数的时变情况如图5.3所示：计算次数k小于250时，活塞面积Ap为大面积，之后为压缩小面积，随之的油压缩容积Vt也改变，阻尼比和频率也给定一个变化曲线。外界负载干扰力FL的扰动考虑阵风的影响变化曲线，取向如图5.4所示。实验数据如下：学习速率=0.3，平滑因子=0.3，权系数初始值取区间-0.5，0.5上的随机数，输入参考信号*(k)取幅值为0.5和1、周期为100的方波信号，最大计算次数500次。基于单神经元PID控制的仿真结果如图5.4，5.5所示：图5.4 单神经元PID控制的仿真结果图5.5 基于单神经元PID控制的变桨距控制系统仿真的曲线图5.5 a为系统输入与输出的对比，显示系统的输出响应情况；y(k)代表输出；r(k)代表输入参考信号*(k)；图5.5 b为PID调节器的控制输出信号u(k)变化情况；图5.5 c为PID调节器可调参数的变化情况。5.3 控制系统的结论分析 由仿真结果可见知，基于单神经元PID 控制液压变桨距系统有良好控制效果；系统响应速度非常快，动态跟随性能也好，调节没有误差，PID参数变化比较平稳。我们通过与PID控制的方法相比较，就可以看出单神经元的PID控制具有对相应速度非常慢的特点，也就是说上升的时间非常长，反映速度很慢，这也给我们的计算带来麻烦，我们要通过手动调整来提高控制效果，这是其不足的地方。调节神经元控制器的增益在单神经元中可以对开环放大倍数较大的控制对象起到减弱神经元的控制作用，从而消除响应的超调和震荡对神经学习的不良影响。相比下，对于开环倍数比较小的控制对象，我们可以增强神经元的控制作用，加快系统的响应速度。通过实验可以证明：K取得较大时，系统的响应速度就比较快，但会有超调；K值取得越小，系统的响应就比较慢。综上所述，系统的控制的性能取决于K值的大小，特别是不确定的对象。K值的取值会随着开环增益的变化而自动调整，这也就是我们之前所说的自动调节增益的能力。所以，我们通过两种控制方法结合起来以组成增益来自动调节单神经元PID控制器，调整增益K的方法。因此, K的取值对神经元控制系统的性能产生很大的影响，尤其是对于开环增益不确定的对象。K的取值应随着对象的开环增益的变化而自动调整，这就要求控制器具有自动调整增益的能力。因此本文将单神经元PID控制器与PID控制算法相结合起来组成增益自调整的单神经元PID控制器，可以解决增益K的自动调整的问题19第六章 结论与展望至此，通过分析，已经初步开发完成了对基于单神经元PID控制的电动变桨距控制系统设计。在总的来看，传统的PID控制系统始终有它的局限性，比如抗扰动性差、不容易操作等等，特别是在实际的工业过程控制中，很大部分的理论不仅仅满足于经典控制理论，也有越来越突出问题突现出来：比如实际工作中无法避免的非线性的控制问题。本课题不仅仅局限在经典控制理论问题上，深入并探讨了基于单神经元PID控制的变桨距控制情况。通过理论学习和实验研究，得出单神经元PID控制手段不仅包含传统PID控制理论的几乎全部优点，并且很好的克服了传统PID控制方式在处理非线性问题的困难之处，这样既可以保证被控对象进行复杂的系统控制，又可以克服干扰的影响，在不改变控制问题的前提下，逐步改进了控制技术，对控制效果起到非常明显的影响。所以，对于电动变桨距控制系统以及风力发电技术来说，对于单神经元PID控制方式比较稳定，适用于作为工业控制过程中的操作系统。在分析单神经元PID控制器基本工作原理的过程上，采取并利用MATLAB软件设置神经元控制器与电动变桨距控制系统的仿真模型，在计算机上进了仿真和应用实验。仿真与实验表明,单神经元PID控制器具有良好的自适应能力，可以控制调速系统的动态与静态性能，增加异步电动机跟踪能力, 自适应性与鲁棒性强，高速性好。通过在线学习与参数优化，可以提高矢量控制系统的动态与静态品质，具有非常好的工程应用价值。由于此为第一次研究经典控制理论相关的课题，其中肯定存在非常多的不完善之处，希望在以后的调试和使用过程中能够得到进一步的改善和加强。参考文献1肖劲松、倪围斗世界风力发电的回顾与前瞻北京：科学出版社，1996，22徐甫荣大型风电场及风电机组的控制系统电气传动自动化，2003，253 Xin X A. Adaptive extreme control and wind turbine control D. Technical University ofDenmark, 1997.4Horiuchi N, Kawahito T. Torque and power limitations of variable speed