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1、上海交通大学硕士学位论文兆瓦级风力机变桨距控制系统的研究姓名：袁海申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：王志新20070125The Study on Pitch Control System of MW Rated Wind Turbine ABSTRACT With the development of design of wind turbine, when rated power output is more then 1MW, power control can not only depends on blades pneumatic performance any more.
2、 People began to control blades pitch angle with variety wind speed. When power out-put is less than rated power, blades angle will stay at 0 degree; but when above, pitch control system will adjust blades angle to limit the out-put power to keep on rated value. With the increment of wind turbines c
3、apability, the blades weight has become several tons. Its too heavy to drive it catch wind speeds variety, so the suitable control arithmetic of the pitch control is one of this papers primary result. This paper focuses on Variable-pitch control system design of 1.5MW double-fed wind turbine. This d
4、esign intends to reduce the change of wind speeds influence to the wind turbines power output with the least change of pitch angle. Study on the ideal model of blade, we can work out the primary parameters of 1.5MW wind turbines pitch control system. The hardware and software of pitch control system
5、 are designed, based on TMS320LF2407A. Do the MATLAB emulation about the whole wind system, master the states change when wind turbine does pitch control. KEYWORDS: WIND POWER, VARIABLE-PITCH CONTROL SYSTEM, DSP, FUZZYPID CONTROL上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的
6、成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袁海 日期： 2007 年 1 月 25 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段
7、保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 袁海 指导教师签名：王志新 日期： 2007 年 1 月 25 日 日期：2007 年 1 月 25 日上 海 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 兆 瓦 级 风 力 机 变 桨 距 控 制 系 统 的 研 究 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景 1.1 课题研究背景 从20世纪70年代以来设计能够与电网联网运行发电的风力发电机组,已经有了30多年的历史。在风力发电机设计的初期，风力发电机都是设计成能够进行全桨叶变桨距的,因为从
8、最基本的空气动力学角度来进行分析,当风速改变的时候,桨叶节距角如果能够做出相应的改变,使得气流对叶片的迎风攻角能够保持最佳,这样就能够使风力机对风能的利用效率达到最高。但是在最开始的时候，设计人员对风力机的整体的运行状况认识还相当不足,设计出来的变桨距系统的可靠性和实用性都远远不能满足当时风力机正常稳定运行的要求,所以后来进入到商品化的风力机都放弃了在当时设计并不成熟的变桨距机构， 而采用了相对结构简单控制方便的定桨距结构,也就是通过桨叶结构设计的自动失速性能来限制当风速超过额定风速时候风力机的功率输出。 经过最近30多年的研究的深入,人们对风力机的运行的具体情况和桨叶的各种受力状态已经有了比
9、较深入的了解,从功率控制角度，设计人员已经不再满足于仅仅保证风力机运行的稳定可靠,还开始追求更高的风能利用效率和尝试不断优化的风力机的输出功率曲线。因为采用变距机构的风力机可使叶轮重量减轻,并使整个风力机的受力状况大为改善,这对大型风力机的总体设计十分有利。因此近几年来,随着风力机功率的不断提升，变距控制系统又重新受到了设计人员的重视。目前已有多种型号的大于1MW的变桨距级力机进入市场。其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/ V42/ V442600kW 机组和美国Zand 的Z2402600kW 机组。从今后的发展趋势看,在大型风力机中,变距型风力机将取代定桨距失速型风力机。 上 海 交
10、 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 兆 瓦 级 风 力 机 变 桨 距 控 制 系 统 的 研 究 第 2 页 为了确保能够既有利于环保又能够满足可持续发展的电能供应战略格局，当今中国必须着眼于开发和使用清洁的可再生能源。对于当今的电能供应而言，其中潜力最大的就是风力发电，但是目前风力发电成本的居高不下，成为制约我国风力发电快速发展的主要因素，其中的基本原因是一方面风电机组关键部分（电控系统）的设计水平不高，另一方面是进口的风力发电机组都为定桨距的小功率风电机组，不能实现风能最大获取，而且发电效率低。风电场业内人士指出，只有我们自己研究出来大型风电机组并实现相应的先进电控系统并网运行， 不断
11、提高风电机组效率，再通过国家的政策倾斜和补助，才能使风力发电成本达到与常规能源的发电成本持平，而达到良性发展。由此可见，我国发展并网风力发电的主攻方向是提高国产风电机组技术水平， 以及通过不断提高风轮转速提高风能利用率，进一步降低成本。因此，及时地研究并网风电机组发电机调速电控系统是非常必要的，研究开发具有自主知识产权的电控系统势在必行，具有重大技术、经济和社会意义。 1.2 风力发电的展望 1.2 风力发电的展望 经过近30多年研究人员不断的开发和运行实践，随着风力发电技术的日益成熟，下一步的目标将是在保证可靠性的基础上，通过不断采用更加先进的技术和工艺，设计并制造出经济性更好的大型风力发电
12、机组，以满足国内国际风力发电市场的需要。今后十年世界各国风力发电的发展将呈现以下趋势。 1商品化风电机组的单机容量进一步向大型化发展。从过去的发展历史看，单机容量的不断增大，是风力发电技术的显著特点之一。单机容量大，有利于降低每千瓦的制造成本，如600kW风电机组比300kW风电机组，单位千瓦的造价约降低20%。而且大型机组采用更高的塔架，更有利于捕获风能，提高年发电量。例如对地处平坦地带的一台风力发电机组来说，在50米高的塔架上捕获的风能，要比在30米高的塔架上捕获的风能约多20%0 上 海 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 兆 瓦 级 风 力 机 变 桨 距 控 制 系 统 的 研
13、究 第 3 页 虽然20世纪70年代末和80年代初，美国和西欧一些国家研制试验的兆瓦级大型风力发电机组，由于当时的技术条件，在可靠性、经济性以及运行维护方面，有不尽如人意的地方未能实现商业化， 但也为后来的发展提供了技术上的经验和借鉴。现在，新一代的兆瓦级大型商品机组无疑将很快占领市场。目前如丹麦的Bonus公司和美国的Nordex公司均已有1MW商品化风电机组进入市场。丹麦的NEG-Micon公司、Vestas公司己分别有1.59 W及1.65 MW的风力发电产品问世。而且各大公司还在开发更大型的机组。估计在本世纪初，兆瓦级风电机组将成为风电厂的主导机型。 2 变速恒频风电机组的开发和商品化
14、。基于变桨距的变速风电机组越来越受到风电界的重视，特别是在进一步发展的大型机组中将更为引人注目。当然，决定变速机组设计是否成功的一个关键是变速恒频发电系统及其控制装置的设计。由于现代电力电子技术和控制技术的发展，这一问题在技术上己经得到了很好的解决，在经济上电力电子变换系统的成本也在日益下降，这些都为变速风电机组的推广应用，提供了良好的条件和前景。 3 在空气动力学方面最重要的发展是新型叶片的翼型设计，以捕获更多的能量。 如美国国家可再生能源研究室(NREL)开发了一种新型叶片， 现场实验表明:在捕获风能上，新型叶片比早期的风力机叶片要高达20%以上。现在在使用中的叶片，最大风能利用系数一般约
15、为 0.45左右，相信在叶片翼型的改进上有较大发展空间。 采用柔性叶片也是一个发展动向， 利用新型材料(如新型工程塑料等)进行设计制造，使其能够根据风况的变化能够改变它们的空气动力型面，从而改善空气动力响应和叶片受力情况，增加可靠性和对风能的捕获量。另外，还在开发新的空气动力制动装置，如叶片上的副翼，它能够简单、有效的限制转子的旋转速度，比机械刹车更可靠，并且费用低。 4在机械方面通过结构动力学的研究，改进设计，避免或减少由于风的扰动而引起的有害机械负载，减少部件所受的应力，从而减轻有关部件及机组整体的重量，进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、变速箱和
16、偏航系统为一体，这样就减少了零部件数目，同时增上 海 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 兆 瓦 级 风 力 机 变 桨 距 控 制 系 统 的 研 究 第 4 页 强了传动系统的刚性和强度，降低了安装、维护和保养的费用。 1.3 本课题的主要工作 1.3 本课题的主要工作 本课题是围绕着1.5MW变桨距风力发电机组的研制来进行的，主要任务是变桨距调节的可行性研究、对变桨距结构进行设计和计算，以及对变桨距风力发电机组单机控制系统进行设计。 所作的具体工作可总结如下: 1.首先广泛查阅国内外的相关文献资料，了解兆瓦级风力发电机组研究的发展状况及最新技术成果。在此基础之上，对变桨距控制机构和风电机变桨距设备的单机控制问题进行综述。 2.讨论变桨距
