变速恒频风力发电变桨距控制的仿真研究

论文总字数：21205字

摘 要

全球经济在当下快速发展，人类对能源的需求不断增加，可再生能源的开发和利用已扮演着独一无二的角色。风能在所有新能源中发展前景最突出，由于它取之不尽、用之不竭，并且是无污染、可再生的绿色能源。风力发电技术的关键技术之一 ——变桨距控制，能够充沛应用风能，得到平稳的功率输出，所以深入研讨风力发电变桨距控制技术，对于风能开发和风力发电产业发展具有十分重要的实际意义。本文设计了基于PID控制的变桨距控制器，通过变桨距控制器的工作，可以将风力发电机组的输出功率限制在额定功率附近，并利用Matlab/Simulink软件对其进行建模仿真。

关键词： 风力发电；变桨距控制；PID；建模仿真

Simulation of variable speed constant frequency wind turbine pitch control

Abstract

With the rapid development of economy, human’s need for energy are increasing, vigorously the development and utilization of renewable energy has become the top priority. Wind energy is currently one of the most promising new energy sources, it is one of the inexhaustible energy, also a pollution-free and renewable green energy. Wind power has been into national sustainable development strategy of many countries. High efficient and reliable wind power generation technology has become popular in the field energy. Variable pitch control is the key technology of wind power generators, so study of wind turbines variable pitch control technology, make full use of wind power and get the stable power output, has important practical significance for the development of wind power and wind turbines industry. In this paper, I used Matlab / Simulink software modeling and simulation them.

Key words：Wind Power Generation；Variable Pitch Control；PID；Modeling and Simulation

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题的背景和意义 1

1.2国内外风力发电的发展现状 2

1.2.1世界风力发电发展概括 2

1.2.2我国风力发电发展概括 2

1.3国内外变桨距控制技术发展及研究现状 3

1.3.1 传统控制策略 3

1.3.2 改进控制策略 3

1.4本文研究的内容 4

第二章 风力发电机组变桨距控制理论概述 5

2.1 风力发电中的风能理论 5

2.1.1 风能计算 5

2.1.2 贝兹理论 6

2.1.3 风力机特性系数 7

2.2 风力发电机组在相关方面即变桨距控制概述 8

2.2.1 变桨距和定桨距控制方式比较 8

2.2.2 桨距角在相关方面的调节原理 9

2.2.3 变桨距控制的控制方法 10

2.3 本章小结 11

第三章 变桨距控制系统的建模 12

3.1 变桨距风力发电系统建模 12

3.1.1 风能利用系数C_P模型 12

3.1.2 风轮模型 12

3.1.3 发电机模型 12

3.1.4 传动系统模型 13

3.1.5 风速模型 14

3.2 PID控制器 16

3.3本章小结 16

第四章 变桨距控制系统的仿真 17

4.1变桨距控制器的仿真 17

4.2本章小结 22

第五章 总结与展望 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1选题的背景和意义

随着我们进入21世纪，当前经济发展十分迅速，全世界各个国家都有人口、能源、环境的各种压力。目前全世界人口迅速增长，同时也带来了资源加剧消耗的结果，人类正以非常快的速度消耗着地球上亿万年前留下来的有限的能源。全球各国的科学家都在研究如何在不污染环境的情况下来发展我们的社会，如果能实现，地球将变得更加美好，这是一个可持续发展的重大战略问题。

目前我们使用的主要能源有：煤炭、石油、天然气。这些能源都属于化石能源，是不可再生能源，一旦消耗殆尽，人类将无能源可用，届时人类也将无法生存。因此人类在迅速发展的同时，也应该注重合理有效的开采和使用能源，要懂得珍惜，要给后来留下资源。人类大规模的开采煤炭、石油、天然气的时间也不过才二三百年，但已经消耗了地球上大部分的能源，目前世界上已经探明的石油和天然气只够人类使用几十年，煤炭也不过只可以使用两百多年，到那时，人类社会将面临能源枯竭的状况。想要人类能够在地球上继续生存下来，就必须保证充足的能源和优质的环境^[1]。所以，现在人类的首要目标就是要找到可再生能源来代替那些化石能源，目前已经发现的可再生能源风能、太阳能、核能、水能等。

这些可再生能源目前都在广泛的使用中，并且在不断创新，其中做的最成熟的发电方式是水力发电，只用水资源丰富的国家，水力发电都十分成熟，因此在这些国家建立了许多大大小小的水电站，我国是全世界水资源最为丰富的国家，拥有的水电站有：三峡水电站、葛洲坝水电站、金沙江水电站等。想要建立水电站，必须具备较高的水落差、水流资源丰富、相对较高的地理位置等条件，这些条件缺一不可。我国水资源主要分布在西南部，但是用电最多的地区确实东部地区，因此想要大规模的发展水电需要耗费大量的成本。正因为这样，许多国家都建立了核电站，虽然核能不会造成大气污染且燃料体积小，但是一旦发生泄露，将会造成非常大的损失和引发政治分歧，因此在处理使用过的废弃燃料时非常麻烦^[2]。总之，开发安全、可靠、干净的发电方式，才是目前最需要人类去探讨、研究的。按照这种发展前景，我坚信，风力发电和太阳能发电必将会是当下乃至未来最稳定绿色的的发电方式，正因为这样，发电技术也必将会向这方面逐渐靠拢^[3]。

众所周知，风能在自然界取之不尽，而且成本及其低下，拥有不会对环境造成污染等特点。我国风能资源非常丰富，在10米以下的风能大约有10亿千瓦，在50-60米的高度将翻倍达到20亿千瓦，即使我们只能利用其中的三分之二，那也将是一个不小的数字，这样一来我国的能源短缺的问题也能得到解决，所以风能将会成为我国的第一能源^[4]。因此只要我们能有效的利用风能，人类就能可持续的发展下去。

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