风力发电机组变桨距控制策略建模与仿真-开题报告

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程、电气工程专 业 ： 电气工程及其自动化论 文 题 目 ： 风力发电机组变浆距控制策略建 模 与 仿 真 指 导 教 师 :2013 年 3 月 15 日毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述随着 21 世纪风力发电的的大力兴起，催生出了风力发电的技术革命，各风力发电强国纷纷花大资金在风力发电的技术研究上。各种关于风力发电的技术犹如雨后春笋般的冒了出来。而关于风力发电机组变桨距控制系统的研究是最多也是最深入的。所谓变桨距控制是指安装在轮机上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小 1，风电机组变桨距控制系统作为大型风力发电系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用，稳定的变桨距控制系统已成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一 2。1 研究变桨距控制系统的背景和意义众所周知风力发电的能量来自于风能。虽然全球储藏的风能巨大，而然风作为一种无形的介质，其具有能量密度低、分散性、随机性和不稳定性等特点，因此风力发电必须有储能装置 3。由于前面的因素，因此风力发电机组的输出功率往往波动也大。另外随着大容量风力发电机组的运行，风轮机直径也在不断地扩大，从而加剧了因海拔、风剪切和湍流等原因造成的风轮桨叶受力的不均匀。而变桨距控制系统正是基于这些因素而设计的一个控制系统，它可以在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在 0位置；当发电机输出功率达到额定功率后，根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率 4，换句话说也就是党变桨距机构在额定风速附近（以上） ，依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收机械能，一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应） ，同时减少风力对风力机的冲击。尤其是在并网过程中还可以实现快速无冲击并网 5。同时由于我国自身技术的原因，我国 MW 级电力机组的变桨距系统产品一直依赖进口，其产品价格不菲，重要的是技术的封锁，这严重的影响了我国风力发电健康快速的发展，所以加强我国自主风电机组变桨距控制系统技术的研发非常的具有战略意义。2 国内外关于变桨距控制系统的研究现状风力发电在二十世纪便开始兴起。前苏联、美国、丹麦以及瑞典等一些国家便是风力发电的先驱，由于当时技术不成熟等原因，这些风力发电站规模很小发电量也是微不足道，并且都坐落在多风的海边 6。然而随着人类科技的进步风力发电也迎来了发展的春天，并且逐年以 2 位数的速度增长。据全球风能理事会（GWEC）介绍，2011年全球风电新装容量 41 GW 以上，比 2010 年增加 21%，使全球总装机容量超过 238 GW。国外在风力发电机组上采用的也不是变桨距系统而是定桨距系统 7。定桨距失速调节其桨叶与轮机是固定连接的，桨叶的桨距角不随风速的变化而改变，当风速高于或低于额定风速时，必须限制风力机的输出功率，因此桨叶需具有自动失速能力 8。同时由于风能的不稳定性等往往也会造成其输出功率曲线的不稳定，以至于偏离理想的功率输出曲线。目前世界上风力发电机组上多采用变桨距控制系统，尤其是大容量风电机组。其特点是：变桨距风力发电机的整个叶片攻角在一定范围内围绕叶片中心轴转动，使叶片攻角在一定范围内变化，以调节输出功率不超过设计的范围 9。世界上大的风电厂家如： GE、LUST、SSB、Vestas、Enercon、Gamesa 以及三菱重工等都在变桨距系统的研究与开发商走在最前沿。其中 Vestas 与 Gamesa 主要采用液压变桨系统，其余多采用电动变桨系统。我国的风电事业起步比较晚，虽然近年来发展的势头迅猛，但是相比于国外的风电大国，我们还有一段很长的路要走。3 变桨距控制系统的分类3.1 按动力来源分类按变桨距系统的驱动动力来源不同科分为：液压变桨距系统、电动变桨距系统。（1）液压变桨距系统主要由动力源液压泵站、控制模块、蓄能器与执行机构油缸等组成 10。（2）电动变桨距系统主要由动力源电动机、控制模块、蓄电池与执行机构减速器、齿轮等组成 10。3.2 按调解方式划分（1）统一控制机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，桨叶距角变化相同 11。（2）独立控制每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，如果其中一个执行机构出现故障，其余两个桨叶仍能调节桨叶节距角实现功率控制，继续带伤工作 11。4 变桨距控制系统的控制方式目前研究比较多的关于变桨距控制的方法有以下几种：经典 PID 控制、自适应控制、滑膜变结构控制、模糊控制、神经网络控制。（1）经典 PID 控制就是比例、积分、微分控制,在工业里面应用非常广泛,据统计,现在有一半以上以上的工业系统直接应用 PID 控制。文献12就是基于 PID 控制设计的变桨距控制器，通过仿真测试达到了很好的效果。（2）自适应控制主要是针对风力发电系统中的非线性而诞生的控制策略。有研究表明在外界干扰较强的环境下，其控制的效果要远好于采用经典 PID 控制策略的控制系统。文献13就是采用该种方法设计的变桨距控制器。虽然其控制的效果好但是在参数的计算与设定上难度也较大。对于一项工程来说耗费太大。(3) 滑膜变结构控制也是针对风力发电系统非线性特性强而设计的，适合于风力发电系统这样无法建立精确数学模型且外部干扰较大的系统。文献14以感应发电机输出功率的相对误差为切换面，对两种不同的模态采取不同的滑模控制结构，以实现对风能的最大捕捉。（4）模糊控制是一种不依赖被控对象精确模型的智能控制，利用专家经验来控制被控对象，适用于控制无法建立精确数学模型的非线性系统,而且模糊控制器自身消除系统稳态误差的能力较差 难以达到较高的控制精度。文献15便是基于对风速的估计而提出的模糊控制方式，实现了风能的最大捕捉。（5）神经网络控制是根据神经网络具有任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其自学习、自收敛性可构成非线性控制。从而可以在非线性系统中进行模型辨识并解决控制问题。文献16是基于神经网络 PID 设计的变桨距控制器。不管采用什么动力哪种方式方法，其最终目的都是提高整个风电系统的效率，但是在选取控制系统是也因考虑到各个方面的因素，比如适合性、经济性以及稳定性等等。参考文献：1武鑫，赵斌.并网型风力发电机组的控制J.太阳能，2003（4）：24-252邢钢，郭威.风力发电机组变浆距控制方法研究J.农业工程学报，2008，24（5）：180-186.3孙丽华.电力工程基础.北京：机械工业出版社，2009.12 4宋晓敬，于冬宁，许家群.风力发电机组的变桨距系统. /p-756220423830.html，2012-4-55流光德，邢作霞，李科等.风力发电机组电动变桨距系统的研究. http:/www.goN/webpage/paper/200704/4-819D-697F93A89C89.htm，2007-4-116刘剑.浅析日前我国风力发电技术现状及发展方向J.时代报告：学术版，2012（12）：937Raina GP Malik O.Wind energy eonversion using a self exeited induetion generator.IEEE Traps on PAS 1983，1258：3453698叶杭冶.风力发电机组的控制技术M.北京：机械工业出版社，20069邓禹 邹旭东 康勇.变速恒频双馈风力发电系统最优化风能捕获控制J.通信电源技术，2005，22(3):213110任清晨.风力发电机组工作原理和技术基础.机械工业出版社，2010.2.111任育杰，宋锦春，任广安.风力发电机液压变桨距系统研究J.机床与液压，2012，40（23）：58-6012Hansen A D,Iov F,Sorensen P,et al.Overall control strategy of variableSpeed doubly-fed induction generator wind turbineC.Nordic Wind Power Conference,2004:1-713张新房，徐大平，吕跃刚等.大型变速风力发电机组的自适应模糊控制J.系统仿真学报，2004，16（3）：573-57714De Battisa H,Mantz R J,Christiansen C F.Dynamical sliding mode powerControl of wind driven induction generatorsJ.IEEE Transactions on Energy Conversion,2000,15(4):451-45715Perales M,Perez J,Barrero F,et al.Fuzzy logic control of a variable Speed,variable pitch wind turbineC.IEEE 25th Annual Conference of the IEEE,1999,vol(2):614-61816Yao X J,Su X B,Tian L.Pitch control of variable pitch win turbines basedon Neural Network PIDC.The 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,2009:3235-3239 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 本课题要研究或解决的问题（1）熟悉 Matlab/Simulink 相关知识。（2）熟悉风电机的风速、风轮、传动系统和发电机等各部分原理。（3）在风力发电机组的变频调速、变桨距控制原理的基础上，依据机理建模的思想，将风力发电机系统分解为: 风速、风轮、传动系统、发电机模型等子系统。（4）建立变桨距控制系统。（5）并在 Matlab/simulink 平台下进行 PID 控制算法的仿真。（6）撰写毕业论文说明书。2 本课题拟采用的研究手段 目前在风力发电系统中对变桨距系统的控制方式最成熟也是运用最广泛的是采用经典 PID 控制理论，本论文也将采用这一经典理论来实现对变桨距系统的控制。其流程图如图 1：图 1 设计流程图通过经典 PID算法算出所需要的参数根据所得到的参数设计一个变桨距控制器分别建立风速、风轮、转动系统和发电机的模型组装能