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1、摘 要 由于风速的随机性、风电机组参数的时变性和系统的非线性，以及系统的复杂性引起的时滞性，造成风电机组输出功率的不稳定。因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。根据得出的线性化数学模型，采用PID控制器构建了闭环控制系统，并进行了变桨距控制仿真。论文主要研究变桨距变速风力发电机组的控制策略及其实现方法。首先，从变桨距风力机空气动力学进行研究，得出变桨距变速恒频控制的理论基础，建立了大型变桨距变速风力发电机组的模型，并阐述了大型变桨距变速风力发电机组的智能控制策略。其次，建立了PID变桨距控制系统能实现最大风能捕获;高于额定风速时，能保持机组的额定输出功率。仿真结果表明，PID控制器具有结构简
2、单、稳定性好、可靠性高的优点，并且使风力发电机组的传动系统具有了较好的柔性，说明PID控制器在复杂的非线性系统中具有很高的应用价值。 关键词：风电机组，变桨距控制;PID控制器;MATLABAbstract Owing to the stochastic nature of wind speed, time-variable of parameters, system lagging and system nonlinearities the power generated by wind turbines changes rapidly. Therefore control is cruci
3、al to the efficiency and reliability of wind turbines. Based on linear mathematical model the closed-loop control system is built with PID controller, and then pitch-regulated control simulation is performed. PID controller is simple and has better stability, it requires precise parameters,and to ma
4、ke wind turbine drive system has good flexibility,also illustrate that PID controller has a high application value on complex non-linear systemsKey words: Wind Power Generation System;variable pitch control; PID control; MATLAB;目录Abstract1目录1第1章 概述11. 1选题的背景和意义11. 2世界风力发电现状21.3风力发电机技术的发展41.4本文研究的主要内
5、容7第2章 风力机基本理论92.1风力发电机组的分类及基本结构9续表102.2风力机的空气动力学102.3变桨距控制原理及控制过程132.4变桨距系统的执行机构152.5本章小结16第三章 大型风力发电机组的数学建模173.1风力机的运行特性及最大风能捕获原理173.1.2风力机的运行区域183.2变桨距风电机组模型的建立203.4 PID控制技术23第四章 系统建模及仿真分析254.1 系统主要模块的MATLAB模型搭建254.2整体模块的建立264.3仿真结果分析274.4 PID变桨距控制器设计与仿真28结 论32参考文献32附 录34致 谢35东北石油大学本科生毕业设计（论文）第1章
6、概述1. 1选题的背景和意义人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点:(1)风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，
7、只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。(2)风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。(3)由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降。表1.1 各类能源发展成本比较电力种类平均成本（美分/千瓦每小时）电力种类平均成本（美分/千瓦每小时）煤电4.85.5天然气发电3.94.4核电11.114.5风电（返税前）4.06.0水电5.111.3风电（返税后）3.35.3从表1. 1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电
8、和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。(4)风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间;而煤电、核电的建设需要二至十年。(5)风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪70年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容
9、量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组;功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪70年代初的50%提高到98%以上;并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制;风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。风电的迅猛发展已经形成了规模巨大的产业，因此它还可带动一批相关产业和产品的发展，对促进国民经济的发展具有重要的意义。 1. 2世界风力发电现状 据欧洲风能协会提供的最新统计数据，2008年全球新增风力发电能力1.m万MW ,比2004年增长43. 4%，新增风力发电设备总价值超过120亿欧元。目前，全球风力发电装机总量已达到5.
10、 93万MW，比2004年增加25%。到目前为止，风力发电装机容量最大的国家是德国，为1. 84万MW。其后依次是西班牙、美国、印度和丹麦等国。中国的风力发电装机总量也已超过1000MW。去年，新装机容量最多的国家是美国，为2431MW。从整体来看，欧洲在全球风力发电方面遥遥领先，占全球的69%。由于国际原油价格上涨，风能发电日益受到各国重视，同时也给风力发电设备公司带来了巨大商机。据德国环境部的数据，目前全球前10大风力发电设备公司所生产的设备已占到全球市场的93.2%。从新装机容量来看，丹麦维斯塔斯公司、西班牙Gamesa公司、德国Enercon公司、美国通用电气公司和德国西门子公司位列前
11、5名，占全球市场的 81. 5%。到目前为止，已经有48个国家颁布了支持可再生能源发展的法律法规。例如，欧盟有关新能源的法规就要求，在2010年之前，欧盟各成员国22%的电力将来自可再生能源。欧洲风能协会目前正致力于游说各国增加风能在可再生能源中所占的比例。欧洲风能协会负责人克里斯蒂安不久前在接受记者采访时说，以前百姓和政府都不喜欢风能。他们认为风力发电设备破坏了乡村的自然风光，政府则说风力发电成本太高。现在，随着技术改进，风力设备外观越来越好看，可以成为自然景观的补充。油价高涨使许多国家政府认识到，发展风能实际上具有战略意义。因此，今后风能的发展前景将会更加广阔。由于我国幅员辽阔，海岸线长，
12、拥有丰富的风能资源，但地形条件复杂，因此风能资源的分布并不均匀。据中国气象科学研究院对全国900多个气象站测算，陆地10米高度层的风能资源的理论储量为32. 26亿kW，可开发的风能资源储量为2. 53亿kW，主要集中在北部地区，包括内蒙古、甘肃、新疆、黑龙江、吉林、辽宁、青海、西藏，以及河北等省、区。风能资源丰富的沿海及其岛屿，其可开发量约为10亿kW ,主要分布在辽宁、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省、市、区。由于北部地区这些省仁区)地势平坦、交通便利，因此有利于建设连成一片的大规模风电场，例如新疆的达坂城风电场和内蒙古的辉腾锡勒风电场等。我国的风力发电是于20世纪
13、50年代后期开始进行研究和试点工作的，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在l0kW以下的小型风力发电场，但其后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，我国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是独立运行的。直到1986年，在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场后，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。到1990年已建成4座并网型风电场，总装机容量为4. 215MW，其最大单机容量为200kW。在此基础上，风
14、力发电从1991年起开始步入了逐步推广阶段，到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36. 1MW，最大单机容量为500kW。1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，其特点是风电场规模和装机容量均较大，最大单机容量为1300kW。从1996年到 2002年末，我国风电装机总容量已达470MW“十五”期间，我国的并网风电得到迅速发展。截至目前，全国风电装机总容量达到1260MW，位居亚洲第三位、世界第十位，成为继欧洲、美国和印度之后的风力发电主要市场之一。目前，我国已经建成了44座风电厂。其中6MW及以上大型风电厂共有40座。在各个省份中，内蒙古、新疆、辽宁3个省区已投产
15、运行的风电规模占全国前.,位。2005年，我国发电设备容量规模取得历史性突破，发电生产结构也进一步优化，其中风电投产发电设备容量超过了1GW。到2005年年底，全国发电设备容量为517184.8 MW，同比增长16. 91%。其中，水电约占总容量的22. 7%,火电75. 67%、核电1. 32%、风电0. 2%0我国的风力发电开发还处于初期阶段。2005年，我国新投入运行的风电装机容量接近500MW，年增长率达到60%。据国家发展规划提出的目标，到“十一五”末期，全国风电总装机容量将达到5GW。国内可以制造大型风力发电机组的主要部件，如桨叶、发电机、齿轮箱、机舱、主轴、塔筒、偏航系统、液压系统等，为我国大型风力发电机组的国产化奠定了基础。但是，由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与西方发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱，只掌握了定桨距跟失速型风力发电机组的制造技术，风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、主动失速控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还远未解决，致使我国大型风力发电机组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人
