论文总字数：24690字

摘 要

风能具有无污染、可再生的优点，它对于处理全球性的能源危机和环境问题来说扮演者至关重要的角色。因此风力发电技术在近些年来取得了非常迅猛的发展。

在各种风力发电系统中，直驱永磁同步风力发电系统由于采用永磁体励磁、风力机对发电机直接驱动的方式，所以具有结构简单、发电效率和功率密度高等特点，在实际中得到了广泛的运用。

因为风能具有不确定性，使得风力发电系统的输出功率将会随风速变化而不断波动。为使整个系统能够经济、稳定运行，即在低风速区时实现最大功率控制，高风速区时保持恒功率状态，对风力机中桨距角参数按照实际情况实行控制是一种非常有效的办法。

论文首先对直驱永磁同步风力发电系统各个部分进行了数学建模研究，其中包含有组合风速模型、风力机模型、经过坐标变换后的永磁同步电机模型、电机侧PWM矢量控制模型，以此作为仿真分析的基础。在发电系统整体正常工作的条件上，对风力机桨距角控制方法进行了研究。最终设计出PI变桨距控制、模糊逻辑变桨距控制与模糊-PI变桨距控制三种方案并进行比较。仿真结果表明，和其他两种变桨距控制方法相比较，模糊-PI变桨距控制可以在平稳输出功率的基础上减小桨距角的抖振情况，因此具有更好的控制性能。

关键词：风电；直驱永磁同步发电机；桨距角； PI控制；模糊逻辑控制；模糊-PI控制

Abstract

As a kind of clean, renewable green energy, wind power has important significance to solve the global energy crisis and environmental crisis. Wind power generation technology has achieved rapid development in recent years.

Among various kinds of wind power generation systems, direct drive permanent magnet synchronous wind power generation system has been widely applied due to its simple system, high efficiency and power density, which are decided by its permanent magnet excitation and the wind turbine-generator direct driven way.

Due to the uncertainty of wind energy, the output power of wind power generator fluctuates when the wind speed changes. To make the wind power generation system works economically and steadily, namely achieves maximum power control below the rated wind speed and keep the power unchanged above the rated wind speed, it's a efficient way to change the pitch angle of the wind turbine according to the actual situation.

Firstly,the mathematical models of the DDPMSG are investigated as the basis of the simulation analysis,include combination wind speed model, wind turbine model, the model of permanent magnet synchronous motor after coordinate transformation, the vector control model of the machine-side PWM. On the basis of the normal operation of wind power generation system, then, the pitch angle control for wind turbines is investigated, three kinds of plan including PI pitch angle control strategy, fuzzy logic pitch angle control strategy and fuzzy-PI pitch angle control strategy are designed and compared eventually. The simulation results have shown that compared with other two controllers based pitch angle control, fuzzy-PI controller based pitch angle control has better control performance in smoothing output power and reducing the buffeting of pitch angle.

Key words: wind power; direct drive permanent magnet synchronous generator; pitch angle; PI control; fuzzy logic control; fuzzy-PI control

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目 录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 风力发电技术概述 2

1.2.1 风力发电机的主要类型 2

1.2.2 风力发电中的控制技术 4

1.3 本文的主要内容 5

第二章 风力发电系统各部分的数学模型 7

2.1 直驱永磁同步风力发电系统经简化后的总体模型 7

2.2 风速模型的建立 8

2.3 风力机模型的建立 9

2.3.1 风力机的能量转换过程 9

2.3.2 风能利用系数与叶尖速比 10

2.3.3 简化传动系统的数学模型 11

2.4 永磁同步电机模型的建立 11

2.4.1 坐标系介绍 11

2.4.2 坐标系变换 12

2.4.3 永磁同步电机数学模型 14

第三章 电机侧PWM模型的建立 16

3.1 电机侧PWM的矢量控制 16

3.2 SVPWM数学模型的建立 17

3.2.1 SVPWM简介 17

3.2.2 SVPWM模型的建立 17

第四章 风力机变桨距控制的设计 21

4.1 PI变桨控制 21

4.1.1 PI控制的基本原理 21

4.1.2 PI变桨控制器的设计 22

4.2 模糊逻辑变桨控制 22

4.2.1 模糊逻辑控制的基本概念 22

4.2.2 模糊逻辑变桨控制器的设计 23

4.3 模糊-PI变桨控制 27

4.4 仿真结果与分析 28

致 谢 32

参考文献 33

1. 绪论
   1. 研究背景及意义^[1-4]

众所周知，能源危机和环境问题是目前人类生存和发展所必须处理的两大难题。

能源是我们人类赖以生存的基石，也是现代社会的重中之重，一个缺少能源的社会必将陷入瘫痪与黑暗。目前，煤炭、石油、天然气这三大传统化石能源仍然是支撑世界经济发展的三驾马车，提供着全球80%以上的能源消费。这些化石能源资源虽然在地球上储量庞大，但随着工业革命接近两百年来的大规模开采利用，正面临资源枯竭的严峻现实。根据目前世界上通用的能源资源预测标准，石油将在未来30年左右枯竭，天然气会在50年后采完，煤炭按照这个消费速度也只有100多年的使用时间。

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