第一篇：大型風力發電機組變槳系統的設計

陜 西 科 技 大 學

畢業設計（論文）任務書

電氣與信息工程學院 電氣工程及自動化專業 09班級 學生 譚浩然畢業設計（論文）題目：MW級風力發電機組變槳距系統研究完成期限：從2013 年02月 25 日起到 2013 年 06 月 16 日 課題的意義及培養目標：隨著環保問題的日益突出，能源供應的漸趨緊張，風力發電作為一種清潔的可再生能源的發電方式，已越來越受到世界各國人民的歡迎和重視。同時，風力發電又是新能源發電技術中最成熟和最具規模開發條件的發電方式之一。因此，近幾年來，我國的風力發電事業得到了很快的發展。本課題以目前風力發電系統中較普遍使用的MW級風力發電機組為研究對象，以計一套風力發電機組的變槳控制系統，實現自動最大風能捕獲、危險風速保護等控制要求。最后，再通過仿真驗證其可行性。經過本系統的設計實踐，使學生可以很好的與目前的先進工程實踐接軌。使所學的專業課及專業基礎課的知識由理論轉向實踐，使所學的文化知識得到較好的實際應用和驗證提升學生進入社會適

應工程工作環境的能力。設計（論文）所需收集的原始數據與資料：所需的資料、參考書籍如下：

1、電機及拖動基礎（主要是同步發電機部分），電力拖動自動控制系統，電器

控制及PLC等技術書籍

2、STEP7軟件。

3、S7-300PLC編程手冊。

4、AUTOCAD繪圖軟件。

課題的主要任務（需附有技術指標要求）：

1、熟悉風力發電機的原理。

2、在掌握軟件編程及控制工藝的基礎上，設計風力發電機自動變槳控制系統。

3、編寫軟件程序。

5、在設計完成后，驗證可行性。設計進度安排及完成的相關任務（以教學周為單位）：

學生：日期：指導教師：日期：教研室主任：日期：

第二篇：風力發電機組變槳距

：隨著國家新能源發展戰略的提出和實施，我國風電產業進入跨越式發展的階段。本文從分析我國風力發電的現狀出發，在總結分析風力發電技術發展的基礎上，對我國風電發展過程中存在的主要問題進行了探討分析，提出了相關建議。

關鍵詞：風力發電；現狀；技術發展

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。常規能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發利用，特別是對風能的開發利用，已受到世界各國的高度重視。風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發展風電這一清潔能源已成為世界各國的戰略選擇。我國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大。近年來我國風電產業及技術水平發展迅猛，但同時也暴露出一些問題。總結我國風電現狀及其技術發展，對進一步推動風電產業及技術的健康可持續發展具有重要的參考價值。

1我國風力發電的現狀

2005年2月，我國國家立法機關通過了《可再生能源法》，明確指出風能、太陽能、水能、生物質能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發利用在能源發展中的優先地位。2009年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把應對氣和變化納入經濟社會發展規劃，大力發展包括風電在內的可再生能源與核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右。論文大全網編輯。

隨著新能源產業成為國家戰略新興產業規劃的出臺，風電產業迅猛發展，有望成為我國國民經濟增長的一個新亮點。

我國自上世紀80年代中期引進55kW容量等級的風電機投入商業化運行開始，經過二十幾年的發展，我國的風電市場已經獲得了長足的發展。到2009年底，我國風電總裝機容量達到2601萬kW，位居世界第二，2009年新增裝機容量1300萬kW，占世界新增裝機容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我國風電產業正步入一個跨越式發展的階段，預計2010年我國累計裝機容量有望突破4000萬kW。

從技術發展上來說，我國風電企業經過“引進技術—消化吸收—自主創新”的三步策略也日益發展壯大。隨著國內5WM容量等級風電產品的相繼下線，以及國內兆瓦級機組在風電市場的普及，標志我國已具備兆瓦級風機的自主研發能力。同時，我國風電裝備制造業的產業集中度進一步提高，國產機組的國內市場份額逐年提高。目前我國風電機組整機制造業和關鍵零部件配套企業已能已能基本滿足國內風電發展需求，但是像變流器、主軸軸承等一些技術要求較高的部件仍需大量進口。因此，我國風電裝備制造業必須增強技術上的自主創新，加強風電核心技術攻關，尤其是加強風電關鍵設備和技術的攻關。

2風力發電的技術發展

風力發電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統工程。目前在風能發電領域，研究難點和熱點主要集中在風電機組大型化、風力發電機組的先進控制策略和優化技術等方面。

2.1風力發電機組機型及容量的發展

現代風力發電技術面臨的挑戰及發展趨勢主要在于如何進一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風能利用率和發電效率的有效途徑，風力發電機單機容量不斷向大型化發展。從20世紀80年代中期的55kW容量等級的風電機組投入商業化運行開始，至1990年達到250kW，1997年突破1MW，1999年即達到2MW。進入21世紀，兆瓦級風力機逐漸成為國際風電市場上的主流產品。2004年德國Repower即研制出第一臺5MW風電機，Enercon開發出第二代直驅式6WM風電機，預計2013年單機容量將突破15MW[1,3]。從世界范圍來看，1.5MW-2MW的機型占世界機組容量的比例，已從2007年的63.7%飛速上升

到80.4%；而在我國，2005年風電場新安裝的兆瓦級風電機組占當年新裝機容量的21.5%，而2009年比例已經上升到86.86%[4]。這表明容量風電機組已經成為我國風電市場上的主流產品。

2.2風力發電機組控制技術的發展

控制技術是風力發電機組安全高效運行的關鍵技術[5,6]，這是因為：

1）自然風速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動和風電場地形地貌等因素的隨機性和不可控性，這樣風力機所獲得的風能也是隨機和不可控的。

2）為使風能利用率更高，大型風力發電機組的葉片直徑大約在60m~100m之間，因此風輪具有較大的轉動慣量。

3）自動控制在風力發電機組的并網和脫網、輸入功率的優化和限制、風輪的主動對風以及運行過程中故障的檢測和保護中都應得到很好的利用。

4）風力資源豐富的地區通常環境較為惡劣[轉貼于:論文大全網

在海島和邊遠的地區甚至海上，人們希望分散不均的風力發電機組能夠無人值班運行和遠程監控。這就對風力發電機組的控制系統可靠性提出了很高的要求。

因此，眾多學者都致力于深入研究風力發電的控制技術和控制系統，這些研究工作對于風力發電機組優化運行有極其重要的意義。計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，并網運行的風力發電控制技術得到了較快發展，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發展，甚至向智能型控制發展。

定槳距型風力機指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。失速型是當風速高于額定風速，利用槳葉翼型本身所具有的失速特性，即氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產生渦流，將發電機的功率輸出限制在一定范圍內。失速調節型的優點是簡單可靠，當風速變化引起輸出功率變化時，只通過槳葉的被動失速調節而控制系統不做任何控制，使控制系統大為簡化。其缺點是葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低，也使得這些關鍵部件更容易疲勞磨損。

變速恒頻風力發電機組是近年來發展起來的一種新型風力發電系統，其轉速不受發電機輸出功率的限制，而其輸出電壓的頻率、幅值和相位也不受轉子轉速的影響。論文大全網www.tmdps.cn整理。

與恒速風電機組相比，它的優越性在于：低風速時能夠跟蹤風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉速的變化調節風力機槳距角，在保證風電機組安全穩定運行的同時，使輸出功率更加平穩。變速恒頻風力發電機組通過勵磁控制和變槳距調節來實現最佳運行狀態。變槳距是根據風速和發電機轉速來調整葉片槳距角，從而控制發電機輸出功率，由傳動齒輪箱、伺服電機和驅動控制單元組成。隨著風電控制技術的發展，當輸出功率小于額定功率狀態時，變槳距風力發電機組采用OptitiP技術，即根據風速的大小，調整發電機轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，以得到理想的輸出功率。變槳距風力發電機組的優點是：輸出功率平穩，在額定點具有較高的風能利用系數，具有更好的起動性能與制動性能，能夠確保高風速段的額定功率。

2.3風力發電機組控制策略的發展

風能是一種能量密度低、穩定性較差的能源，由于風速、風向的隨機性變化，導致風力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風力機的空氣動力效率及輸入到傳動鏈的功率發生變化，影響了風電系統的發電效率并引起轉矩傳動鏈的振蕩，會對電能質量及接入的電網產生影響，對于小電網甚至會影響其穩定性。風力發電機組通常采用柔性部件，這有助

于減小內部的機械應力，但同時也會使風電系統的動態特性復雜化，且轉矩傳動模塊會有很大振蕩。目前，對風力發電機的控制策略研究根據控制器類型可分為兩大類：基于數學模型的傳統控制方法和現代控制方法。傳統控制采用線性控制方法，通過調節發電機電磁轉矩或槳葉節距角，使葉尖速比保持最優值，從而實現風能的最大捕獲。對于快速變化的風速，其調節相對滯后。同時基于某工作點的線性化模型的方法，對于工作范圍較寬、隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統并不適用。

現代控制方法主要包括變結構控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等[7,8]。變結構控制因具有快速響應、對系統參數變化不敏感、設計簡單和易于實現等優點而在風電系統中得到廣泛應用。魯棒控制具有處理多變量問題的能力，對于具有建模誤差、參數不準確和干擾位置系統的控制問題，在強穩定性的魯棒控制中可得到直接解決。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的知識和經驗表示為語言規則用于控制，不依賴于被控制對象的精確的數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調節對象有較強的魯棒性。由于風力發電機的精確數學模型難以建立，模糊控制非常適合于風力發電機組的控制，越來越受到風電研究人員的重視。人工神經網絡是以工程技術手段來模擬人腦神經元網絡的結構與特征的系統。利用神經元可以構成各種不同的拓撲結構的神經網絡，它是生物神經網絡的一種模擬和近似。利用神經網絡的學習特性，可用于風力機的低風速的節距控制。

3存在的問題及展望

盡管近年來我國風電產業得到了迅猛的發展，但同時也暴露出眾多的問題。

首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設計及制造技術。在設計技術方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產許可及技術咨詢費用，在一些具有自主研發能力的風電企業中，其設計所需的應用軟件、數據庫和源代碼都需要從國外購買。在風機制造方面，風機控制系統、逆變系統需要大量進口，同時，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類產品相比其質量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國風電發展規劃與電網規劃不相協調，上網容量遠小于裝機容量。風電發展側重于資源規劃，風電場的建設往[轉貼于:論文大全網 沒有考慮當地電網的消納能力，從而造成裝機容量大，并網發電少的現狀。2009年新增裝機容量中1/3未能上網，送電難已經成為制約風電發展的瓶頸。最后，我國風電的技術標準和規范不健全，包括風機制造、檢測、調試、關鍵零部件生產及電場入網等相關標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來的風電產業發展，必須加強自主創新掌握核心技術；必須加大電網建設力度，合理規范風電開發；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統一的風電標準規范體系。

第三篇：變槳距風力發電機組

變槳距風力發電機組

變槳距風力發電機組是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉,使葉片攻角在一定范圍(一般0°~90°)內變化，以便調節輸出功率不超過設計容許值。

在機組出現故障時，需要緊急停機，一般應先使葉片順槳，這樣機組結構中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。變槳距葉片一般葉寬小，葉片輕，機頭質量比失速機組小，不需很大的剎車，啟動性能好。在低空氣密度地區仍可達到額定功率，在額定風速之后，輸出功率可保持相對穩定，保證較高的發電量。但由于增加了一套變槳距機構，增加了故障發生的機率，而且處理變距機構葉片軸承故障難度大。變距機組比較適于高原空氣密度低的地區運行，避免了當失速機安裝角確定后，有可能夏季發電低，而冬季又超發的問題。變槳距機組適合于額定風速以上風速較多的地區，這樣發電量的提高比較明顯。從今后的發展趨勢看，在大型風力發電機組中將會普遍采用變槳距技術。

第四篇：風力發電機液壓變槳系統簡介

風力發電機液壓變槳系統簡介

全球投入商業運行的兆瓦級以上風力發電機均采用了變槳距技術，變槳距控制與變頻技術相配合，提高了風力發電機的發電效率和電能質量，使風力發電機在各種工況下都能夠獲得最佳的性能，減少風力對風機的沖擊，它與變頻控制一起構成了兆瓦級變速恒頻風力發電機的核心技術。液壓變槳系統具有單位體積小、重量輕、動態響應好、轉矩大、無需變速機構且技術成熟等優點。本文將對液壓變槳系統進行簡要的介紹。

附近的調節都屬于連續變槳。液壓變槳系統的連續變槳過程是由液壓比例閥控制液壓油的流量大小來進行位置和速度控制的。當風機停機或緊急情況時，為了迅速停止風機，槳葉將快速轉動到90°，一是讓風向與槳葉平行，使槳葉失去迎風機變槳調節的兩種工況

風機的變槳作業大致可分為兩種工況，即正常運行時的連續變槳和停止（緊急停止）狀態下的全順槳。風機開始啟動時槳葉由90°向0°方向轉動以及并網發電時槳葉在0°風面；二是利用槳葉橫向拍打空氣來進行制動，以達到迅速停機的目的，這個過程叫做全順槳。液壓系統的全順槳是由電磁閥全導通液壓油回路進行快速順槳控制的。液壓變槳系統

液壓變槳系統由電動液壓泵作為工作動力，液壓油作為傳遞介質，電磁閥作為控制單元，通過將油缸活塞桿的徑向運動變為槳葉的圓周運動來實現槳葉的變槳距。

液壓變槳系統的結構

變槳距伺服控制系統的原理圖如圖1所示。變槳距控制系統由信號給定、比較器、位置（槳距）控制器、速率控制器、D/A轉換器、執行機構和反饋回路組成。

圖1 控制原理圖

液壓變槳執行機構的簡化原理圖如圖2所示，它由油箱、液壓動力泵、動力單元蓄壓器、液壓管路、旋轉接頭、變槳系統蓄壓器以及三套獨立的變槳裝置組成，圖中僅畫出其中的一套變槳裝置。

圖2 液壓原理圖

結束語

液壓變槳系統與電動變槳系統相比，液壓傳動的單位體積小、重量輕、動態響應好、扭矩大并且無需變速機構，在失電時將蓄壓器作為備用動力源對槳葉進行全順槳作業而無需設計備用電源。由于槳葉是在不斷旋轉的，必須通過一個旋轉接頭將機艙內液壓站的液壓油管路引入旋轉中的輪轂，液壓油的壓力在20MPa左右，因此制造工藝要求較高，難度較大，管路也容易產生泄漏現象。液壓系統由于受液壓油黏溫特性的影響，對環境溫度的要求比較高，對于在不同緯度使用的風機，液壓油需增加加熱或冷卻裝置。

第五篇：風力發電機組論文：風力發電機組 變槳距控制 自抗擾控制

風力發電機組論文：自抗擾控制技術在風電變槳控制系統中的應用

【中文摘要】本文主要研究了風力發電變槳距控制系統。首先介紹了風力發電機組的運行原理,在此基礎上建立了大型變槳距變速風力發電機的模型,設計出PID控制器。然后重點討論了在高風速情況下槳距角控制問題。為了改善系統在恒功率輸出運行區域內的動態性能,本文設計了自抗擾控制方法的風力發電系統變槳距控制器,仿真結果表明這種方法可以有效抑制隨機風擾動下電機轉速偏差,實現恒功率控制。

【英文摘要】This paper mainly studied pitch control system of wind turbine.Firstly, it introduced the development of wind power at home and abroad, the operating principles of wind turbines, and constructed the models of a large-scale variable pitch variable speed wind turbine based on those principals and design a PID controller.Then it focused on the variable blade pitch control in the case of high wind speed.In this thesis, a new pitch controller based on the control theory of active disturbance rejection is deve...【關鍵詞】風力發電機組 變槳距控制 自抗擾控制

【英文關鍵詞】wind turbine variable pitch control active disturbance rejection control

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【目錄】自抗擾控制技術在風電變槳控制系統中的應用5-6

Abstract6

第一章 緒論9-181.2 國內外風力發電現狀

摘要

1.1 風力發

電的意義和研究背景9-1010-1410-1212-14

1.3 風力發電技術目前的研究現狀和難題1.3.1 定槳距失速調節技術與變槳距技術1.3.2 恒速恒頻風力發電技術與變速恒頻發電技術1.4 風力發電控制技術的發展14-17

1.4.1 風

力發電系統的傳統控制方法14制方法14-17

1.4.2 風力發電機組的現代控

第二

1.5 論文的主要內容及安排17-18

18-33

章 變槳距風力發電機組結構與工作原理機組的結構形式18-1919-21建立23-26型24-25

2.1 風力發電

2.2 風力機空氣動力學理論

2.4 風機機理模型的2.4.2 傳動機構模

2.5 風力發電

2.3 風能利用系數21-23

2.4.1 風輪模型23-24

2.4.3 異步發電機模型25-26

26-32

控制系統仿真實例26-2828-3032-33用33-48

2.5.1 系統模型的搭建

2.5.2 PID控制器及MATLAB系統仿真圖2.5.3 仿真結果30-32

2.6 本章小結

第三章 自抗擾控制在風力發電變槳距控制系統中的應3.1 自抗擾控制基本原理

33-36

3.2 自抗擾

控制器的離散算法實現36-373.3 自抗擾控制器的高階擴展

37-393.4 自抗擾控制器參數整定39-42

3.6 本章小結47-48

3.5 仿真與第四章 結論和展

結果分析42-47望48-50

參考文獻50-55在學期間發表的學術論文和

作者簡介57

參加科研情況55-56致謝56-57