论文总字数：17391字

摘 要

随着近几年世界范围内的工业化越来越快，能源的枯竭和环境的污染已经成为了人类可持续发展的主要阻碍，因此各国开始把开发的重点放在了新能源上面。风能作为一种可再生的新能源，十分环保，并且储备量很大，符合可持续发展的要求。而风力发电是开发风能的一种很好的途径，目前在风电行业中应用最为广泛的是通过兆瓦级风力发电机组进行发电。而变桨距控制系统对风电机的稳定运行十分重要。

首先，本文对变桨距系统的控制理论进行了介绍，引出了叶尖速比，风能利用系数等重要参数，并选定了变桨距系统控制策略。

然后，对变桨距系统的硬件部分进行了设计，对桨叶受力分析后求得其转动的最小力矩，从而选定了驱动电机与变速齿轮箱，并对齿轮箱进行校核计算。

最后，对变桨距系统中的各个重要参数建立数学模型以及对变桨距系统选定了控制方案，并通过simulink仿真建模来论证控制过程的准确性。

关键词：风力发电机组 桨距角 PID控制器 仿真建模

Variable pitch system of 2MW wind turbine

Abstract

With the rapid development of industrialization in recent years, energy depletion and environmental pollution has become a major obstacle to human sustainable development, so countries began to focus on the development of new energy above. Wind energy as a renewable new energy, pollution-free, and the reserves are large, in line with the requirements of sustainable development. And wind power is a good way to develop wind energy, the most widely used in the wind power industry is through the megawatt-class wind turbine power generation. The variable pitch system, as the system of the wind turbine, in the stable operation of the wind turbine.Firstly, the control theory of variable pitch system is introduced, and the important parameters such as blade speed ratio and wind energy utilization coefficient are introduced, and the control of variable pitch system is selected.

Then, the hardware part of the pitch system is designed, and the minimum torque of the blade is got after the blade force. The drive motor and the gearbox are selected and the gear box is checked and calculated.

Finally, a mathematical model is established for each important parameter in the pitch system, and the control scheme is selected for the pitch system. The accuracy of the control process is demonstrated by simulink simulation modeling.

Key Words: Wind Turbine; Pitch angle; PID controller; Simulation modeling

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究的主要内容 2

第二章 变桨距系统控制理论 3

2.1 风力机空气动力学特性 3

2.1.1 风能的计算 3

2.1.2 风能利用系数与贝茨理论 3

2.1.3 叶尖速比与桨距角 5

2.2 变桨系统控制理论与策略 6

2.2.1 变桨系统控制的理论基础 6

2.2.2 变桨系统控制策略 7

2.3 本章小结 9

第三章 变桨距系统执行机构设计与计算 10

3.1驱动方式的选择 10

3.1.1 电动变桨 10

3.1.2 液压变桨 10

3.2 载荷计算 10

3.2.1 离心力分量产生的力矩 10

3.2.2 气动力产生的力矩 14

3.2.3 重力与摩擦产生的力矩 14

3.3 执行机构的设计 15

3.3.1 电机的选型 15

3.3.2 齿轮箱技术参数 15

3.3.3 齿轮箱校核计算 16

3.4 经济分析 22

3.5 本章小结 22

第四章 变桨距控制器设计 23

4.1 数学模型 23

4.1.1 风速模型 23

4.1.2 风轮模型 23

4.1.3 传动系统模型 24

4.1.4 发电机模型 24

4.2 变桨系统控制方案 24

4.2.1 变桨系统控制过程 24

4.2.2 PID控制器 25

4.3 仿真建模及结果分析 27

4.3.1 变桨系统仿真模型 27

4.3.2 仿真结果及分析 32

4.4 本章小结 33

第五章 结语 34

参考文献 35

致 谢 36

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

当今社会，世界各国为了加快自身经济的发展，便开始无节制地消耗石化能源，这样的举措，一方面对地球的生态环境造成了极大的污染，另一方面使可利用的常规能源变得越来越少。面对能源和环境的压力，世界各国开始把开发重点放在了新能源上面。风能作为一种可再生，很环保的新能源，近几年发展的十分迅猛。我国的风力资源非常丰富，风能总储量达到了32.26亿千瓦，其中可以利用的风能大约为2.53亿千瓦^[1]，所以利用好风能有利于解决我国的能源问题。而风力发电是开发风能很好的方式，为此，我国这几年装机量的增长速度很快，并且重点开发了海上风电项目，成果十分显著。随着风电技术的进步，未来风力发电会在人类的生活中占据重要的位置。

在实际风力发电的过程，由于风速的无规律性常常会影响到风力发电机的正常运行，并且风速太高时导致的高输出功率会使风电机的机械结构带来很大的损伤^[2]，所以说变桨距系统对风力发电机运行的稳定性和安全性起到了至关重要的作用。

1.2国内外研究现状

由于我国对风力发电重视的比较晚，并且国内的自主研究水平还比较落后，所以现在大部分发电机组都是向国外进口，这种现状一定程度上阻碍了我国风电技术水平的提高，而变桨控制的技术水平我国也相对比较落后，由于近几年国内的一些知名的高校开始把变桨控制作为了重点研究项目，使我国的变桨控制技术得到了很大的发展，如今在国内能实现变桨控制的方法有很多，例如PID控制，模糊控制，精神网络等。但是国内厂商生产的变桨系统和主控系统不能很好的配套，造成输出的桨距角精度不高，所以国内的变桨距技术还需要慢慢完善。

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