变桨距风力发电机组的桨距控制与仿真毕业论文

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1、风电机组调节与控制课程设计课题名称:变桨距风力发电机组的桨距控制与仿真学院专业班级学号姓名一、风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可

2、再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。二、变桨距风力发电机组的桨距控制与仿真变速恒频风力发电机组与失速型风力发电机组相比，其中一个很大的优点是额定风速以上输出功率平稳。变速恒频风力发电机组运行在额定风速以上时，既要使额定功率点以上输出功率平稳，避免波动，又要使发电机组传动系统具有良好的柔性，同时还要考虑对风电机组实现有效保护。变桨距控制技术是在风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片功角，从而改变风电机组获得的空气动力转距，使机组功率输出保持稳定。本控制策略采用了功率反馈闭环控制系统，来实现变速恒频机组额定风速以上的控制目标。变桨距机

3、构介绍变桨距执行机构是由机械和液压系统组成，它沿着风机的纵向轴调节风机的桨叶。因为桨叶的惯量很大，且变桨距执行机构不应该消耗大量的功率，所以执行机构具有的限制能力，其动态特性是在桨距角和桨距速率上均具有饱和限制的非线性动态，当桨距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性本文以12m/s风速作为额定风速，根据低于额定风速时的转速控制和高于额定风速时的功率控制，分别建立变速风力发电机组在低于及高于额定风速下的SIMULINK仿真模型，研究两种情况下转矩控制器和桨距角控制器的控制效果。三、变桨距风力发电机组的控制策略（1）变速恒频风力发电机组变桨距控

4、制策略在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。选用经验公式描述风力发电机组的特性，Pm=12πρR2v3Cpi由式(i)，如果在任何风速下，风力发电机组都能运行在Cp点，就能最大化地捕获风能；也就是说，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比为λopt，就可维持风力发电机组工作在最大捕风效率下。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，叶尖速比维持在λopt，就可获得最佳的功率系数和捕获效率。这就是变速恒频风力发电机组在低风速时转速控制的基本目标，即所谓的“速度跟踪”。从理论上来说，只要风速无限大，输出功率是无限

5、的。但实际上，由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组将不能正常工作。因此，变速恒频风力发电机组受到两个基本限制：一是速度限制，所有的旋转部件的机械强度制约风轮的转速；二是功率限制，所有电路及电力电子器件制约风轮捕获风能转化产生的电功率。这两个限制，也就是变速恒频风力发电机组在高风速时功率控制的基本目标。理性稳态运行下，在低风速时，风力发电机组应运行在最大功率系数Cpmax点，对应风轮叶尖速比为λopt，桨距角保持在β=1°。这个过程可以通过速度控制器实现，直到随着风速的增加，风力发电机组达到额定转速。在此

6、之后，若风速持续增加，那么风力发电机组应工作在额定转速下，桨距角仍保持在β=1°直到发电机组达到额定功率。此时的风速可以认为是额定风速。当风速继续增大，超过了额定风速，根据前述风力发电机组特性曲线，则应该调节桨距角β，使得风力发电机组工作在额定功率下。图1显示了风力发电机组理想运行下，随着风速的增加，风力发电机组功率、转矩、转速、功率系数Cp、尖速比λ，桨距角β的变化趋势。图1风力发电机组的理想运行曲线图1中所示的风力发电机组的理想运行点，可以通过机组的参数以及经验公式确定。这些运行点将作为控制器的参考信号，在整个风速范围内，对风力发电机组进行正

7、确的控制。这主要分两个部分实现：在额定风速以下时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比；在高于额定风速时，通过变桨距系统改变桨距角来限制风力发电机组获取能量，使机组保持在额定功率下发电。（2）低于额定风速的转速控制风力发电机组在额定风速以下的运行可以不受功率限制。在这一运行区域，风力发电机组控制系统通过对转速的控制来维持最佳功率系数Cpmax以最大化捕获风能。通常通过控制发电机的转矩来实现对转速的控制。本文采用PI控制器作为转速控制器控制发电机的转矩。PI转速控制器的控制框图如图2所示。控制器的参考信号为：ωref=λoptvRi

8、i图2转速控制器框图（3）高于额定风速时的功率控制在这一运行区域，变速恒频风力发电机组的控制系统主要是通过调节桨距角改变风力机的功率系数