论文总字数：25699字

摘 要

目前风力发电机组采用的主要是变桨距控制系统，统一变桨距和独立变桨距系统是当前风力发电技术的发展潮流。在实际的风力发电机组中通过变桨距技术可以提高风能利用系数，优化输出功率曲线，可以使机组在面对不同风速下始终维持在最优输出功率附近。在本文的论述中，主要简述了风力发电空气动力学基本原理、风力发电机组的工作原理，并且基于MATLAB/Simulink系统对风力发电机组的各个模块进行了系统的模拟和分析，包括对自然风的模拟，传动系统、发电机系统的模拟，并且基于MATLAB模糊控制器Fuzzy进行了对电动变桨距控制系统进行了深入设计。本论文所设计的基于Simulink的电动变桨距控制系统对于后续的深入研究与开发具有一定的借鉴意义和实际应用价值。

关键字：风力发电;空气动力学;变桨距控制;模糊控制；MATLAB/Simulink

The Design of Wind Turbine Pitch Control System

Name Song Wei-jia

Number 03011317

Supervised by Deng Ai-dong associate-professor

Abstract

Nowadays, pitch control system is the main solution to be used in the wind power generation system. Unified pitch control and independent pitch control system are the latest development of wind power technology. In the wind farm through using pitch control system,we can improve the wind energy utilization coefficient , optimizing the output power from the wind turbine and make the wind turbine to hold in the vicinity of the maximum power output while facing different wind speed. This paper mainly discusses the wind turbine aerodynamics principles, wind turbine and undertake analyses of wind power generator based on MATLAB / Simulink simulations, including the simulation of natural wind, the drive system, the generator system ,and I have conducted in-depth design of electric pitch control system based on MATLAB Fuzzy controller . The design of electric pitch control system based of Simulink are supposed to be a certain reference for the further research.

Key words: wind power; Aerodynamics; Pitch control; fuzzy control;MATLAB/Simulink

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 世界风力发电技术发展现状 2

1.3 国内风力发电技术发展现状 3

1.4 风力发电变桨距控制技术的发展 5

1.5 论文研究目的和主要研究内容 5

第二章 风力发电技术空气动力学基本原理 7

2.1 贝兹极限（一维动量理论） 7

2.2 叶素-动量定理 10

2.3 叶片的空气动力特性 13

第三章 变桨距控制技术原理 16

3.1 变桨距调节原理 16

3.2 变桨距控制流程 17

第四章 风力发电机组模型的建立 21

4.1 风速模型建立 21

4.2 风轮模型 26

4.3 传动模型 28

4.4 发电机模型 29

第五章 变桨距模糊控制器系统的设计与仿真 31

5.1 变桨距模糊控制系统设计 31

5.2 变桨距魔窟控制仿真及分析 38

第六章 总结与展望 41

6.1本文总结 41

6.2 工作展望 41

参考文献 43

致谢 45

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，伴随着现代社会科学技术和经济建设的发展，人类对能源的需求量越来越大。而与此同时，在世界范围内所开展的大规模的煤、石油和天热气的开采活动，使得化石燃料资源愈发的趋向枯竭。但是化石能源的形成往往需要花费极其漫长的时间进程，少则几百万年，多则几亿年。由于化石能源的不可再生性，我们必须去寻找能够替代化石能源的新型能源，才能确保国名经济的稳定运转。在现有能源结构的基础上去开发洁净的新能源和可再生能源，不断地减轻原有的环境污染,改善基础能源结构成了各国政府和能源部门关注的热点。基于各项的基本政策，风能、太阳能、潮汐能等多项新能源形式在近十几年里都得到了长足的发展。

能源是整个社会发展和人类生存所依赖的基础，是每个国家和地区经济社会发展的最基本的物质保障，在此基础之上才能逐渐发展各项产业，带动国民生产总值（GDP）的增长。我国身为发展中国家，在发展水平和技术水平上和欧美等发达国家仍然存在一定的差距，应当努力改善能源的利用效率，不断调整并且加以优化能源结构，大力支持并努力发展与可再生能源和新能源相联系的产业，以可持续发展为目标构建合理的能源体系，以此推进能源技术的改革创新和社会发展。因此，再基于我国发展中国家国情的情况下建立符合我国发展需要和资源特色的能源科技创新体系有益于保障并且推动我国经济发展和社会现代化建设的进程。

纵观各种新式能源形式，风能是没有公害的能源之一，取之不竭，用之不尽。风能作为可再生能源，不需要消费矿物质燃料。风力发电是近年来成长最快的绿色能源形式之一。风电的利用，替换了生成相同的电能所燃烧的矿物燃料。由此对环境带来了许多正面的影响:减少了CO2、SOx、NOx、粉尘等有害气体的排放；并且减少了由于开发一次能源所带来的环境问题，例如油田、油井等大型措施产生的噪声及污染问题。

1.2 世界风力发电技术发展现状

在 1890 年，丹麦第一次成功地研发了世界第一台风力发电机并以此为基础建成了全世界最先的风力发电场，前苏联在1931 年选取螺旋桨式叶片建设了一台大型风力发电机。到20 世纪 70 年代之后，越来越多的国家开始重视风电的发展，使得风力发电技术进入到了一个蓬勃发展的时期。到了 20 世纪 90 年代，世界各国的风电装机容量飞快地增长。而进入21世纪之后，全球风电的发展速度仍再以平均每年 30%的速度递增。

按照美国风能协会颁布的数据，到 2012 年 9 月末，美国风电的累计装机量已经接近 51.6 GW。2012 年 9 月，欧洲风能委员会发文称，欧洲的风能发展之路获得了里程碑式的提高——风电装机总量已经超过 100 GW。按照该机关的说法，100 GW的装机量每一年可以满足 5700 万户家庭的用电需求，其发电能力能够媲美39座核电站。然而更令人震惊的是，这 100 GW中的前 10 GW耗费了了约 20 年才完成，但后 90 GW仅经过了 13 年便得以实现。

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