风力发电机组变桨距控制系统的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.48MB 72 页 15积分
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摘 要
能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风能因具有可再生、
无污染等优点，正受到世界各国的重视。高效而可靠的风力发电系统的研究与开
发已成为能源技术领域的热点和难点。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳
定等特点，对风力发电机组尤其是大型风电机组控制技术的深入研究具有十分重
要的现实意义。本文以国产 1.5MW 风力发电机组为依托，对大型风力发电机组变
桨距控制技术进行了较深入的研究。
本文首先分析了风力发电机组的总体结构和变桨距控制原理，并对机组变桨
距的两种实现方式：液压驱动变桨系统和电动变桨系统进行了分析和比较，根据
本课题风力发电机组的特点选用电动变桨距系统；参考国内外的相关资料，提出
一种独立变桨的电动变桨距系统的总体方案，主要包括变桨系统总体结构和伺服
电动机控制策略的规划；然后针对 TD70s 双馈风力发电机组具体设计了变桨距控
制系统，并通过 Profibus-DP 现场总线实现了与主控系统的通信。
最后，针对风力发电系统多变量、强非线性等特点，本文设计了一种应用于
变桨距控制的模糊 PID 参数自整定功率控制器，并将模糊 PID 控制算法以外部控
制器的形式加入到风电机组的变桨距控制模型中，通过在风机专业仿真软件 GH
Bladed 中的仿真运行，得到了机组的桨距角、风轮转速和输出功率的仿真曲线，
验证了设计方案的可行性。
关键词：风力发电机组 变桨距控制 伺服控制 Profibus 模糊 PID
ABSTRACT
Energy and environment are the urgent problem which the human survival and the
development must solve now. Wind energy is being attached great importance to all
over the world because of its advantages, renewability and non-polluting etc. Research
and development of wind power system has been hot and difficult in energy technology
field. Since wind energy has the characteristics of lower density, random, instability and
so on, it is of great realistic significance to make a deep study in control technology of
wind turbines especially in large scale sets. Based on the domestic 1.5 megawatt wind
turbine, the pitch control techniques for large scale wind turbine are deeply analyzed in
this thesis.
First, the general structure of wind turbine and the pitch control principle is
investigated. The electric pitch is chosen based on the characteristic of the wind turbine
after the compare of two kinds of pitch realizing ways, hydromantic pitch and electric
pitch. Referring to related information at home and abroad, a general design of
individual electric pitch system is proposed, including the general structure of pitch
system and the control method of pitch servo motor. Then, the pitch control system is
designed and the communication with master system by Profibus-DP is completed for
TD70s double-fed wind turbine.
At last, for the multivariable and strong nonlinear characteristics of wind turbine, a
fuzzy PID power controller based on self-tuning parameters is designed and the fuzzy
PID control arithmetic is included in the pitch control model of external controller. By
the simulation of the wind turbine in GH Bladed, the curves of pitch angle, rotor speed
and electrical power are received, which validate the feasibility of the design.
Key Word：wind turbine, pitch control, servo control, Profibus, fuzzy
PID
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 风力发电概述 ....................................................................................................1
§1.2 风力发电技术发展趋势 ....................................................................................2
§1.3 课题的背景及意义 ............................................................................................3
§1.4 课题主要研究内容 ............................................................................................4
第二章 风力发电机组变桨距系统概述 .........................................................................6
§2.1 风力发电机组总体结构 ....................................................................................6
§2.1.1 机械结构 .....................................................................................................6
§2.1.2 控制系统 .....................................................................................................8
§2.2 变桨距控制原理 ..............................................................................................10
§2.3 变桨距系统执行机构 ......................................................................................12
§2.3.1 液压驱动变桨距机构 ...............................................................................12
§2.3.2 电动变桨距机构 .......................................................................................13
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................13
第三章 变桨距系统总体设计 .......................................................................................14
§3.1 伺服系统 ..........................................................................................................14
§3.2 变桨距系统总体设计 ......................................................................................17
§3.2.1 执行机构设计 ...........................................................................................17
§3.2.2 电气结构布局 ...........................................................................................18
§3.3 伺服电动机控制策略规划 ..............................................................................19
§3.4 本章小结 ..........................................................................................................24
第四章 变桨距控制系统设计 .......................................................................................25
§4.1 硬件总体设计 ..................................................................................................25
§4.1.1 SERCOS 网络 ........................................................................................... 26
§4.1.2 控制器 .......................................................................................................27
§4.1.3 伺服驱动器 ...............................................................................................30
§4.1.4 伺服电动机 ...............................................................................................32
§4.1.5 检测装置 ...................................................................................................32
§4.2 软件总体设计 ..................................................................................................33
§4.2.1 选择协调系统时间主设备 .......................................................................34
§4.2.2 组态运动模块 ...........................................................................................34
§4.2.3 组态伺服驱动器 .......................................................................................35
§4.2.4 组态运动轴 ...............................................................................................36
§4.2.5 运动程序开发 ...........................................................................................36
§4.3 变桨系统与主控系统的通信实现 ..................................................................38
§4.3.1 Profibus 总线概述 ..................................................................................... 39
§4.3.2 Profibus-DP 通信 .......................................................................................40
§4.3.3 风电机组 Profibus-DP 控制系统设计 .....................................................42
§4.4 本章小结 ..........................................................................................................44
第五章 风力发电机组的仿真 .......................................................................................45
§5.1 模糊 PID 概述 ................................................................................................. 45
§5.1.1 PID 控制 .................................................................................................... 45
§5.1.2 模糊控制 ...................................................................................................47
§5.1.3 模糊 PID 控制 .......................................................................................... 48
§5.2 模糊 PID 功率控制器设计 ............................................................................. 49
§5.2.1 模糊化 .......................................................................................................49
§5.2.2 模糊控制规则建立 ...................................................................................51
§5.2.3 模糊推理及解模糊 ...................................................................................52
§5.3 TD70s 风电机组的仿真 ...................................................................................54
§5.4 仿真结果及分析 ..............................................................................................59
§5.5 本章小结 ..........................................................................................................63
第六章 总结与展望 .......................................................................................................64
参考文献 .........................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................69
致 谢 .............................................................................................................................70
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 风力发电概述
能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的迫切问题。常规能源以煤、石
油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再
生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视[1]。
进入 21 世纪以来，随着人口的迅速膨胀以及经济的高速发展，电力供需矛盾
日趋突出，能源和环境问题已成为当今世界各国面临的重大问题。开发新能源和
发展可再生能源，实现经济可持续发展，已成为人类社会的共识。能源供应和环
境保护是经济持续发展的基本条件，从能源角度说，有许多专家和机构分析，如
果不重视可再生能源的开发，未来由于能源资源匮乏将导致全球的能源危机。
同样，我国也面临着资源、能源和环境的压力。自改革开放以来，电力发展
一直保持着高速增长的势头，装机容量和发电量已分别位居世界第三和第二，有
力地支持了国民经济发展和人民生活水平的提高。但在电力发展过程中，以燃煤
发电为主的电力生产结构导致有害物质的排放也在逐年增加，如不采取有效措施，
必将成为电力持续发展的制约因素。因此，需要逐步改变这种状况。改善的途径
有两种：一是在发展煤电时，与环境保护相结合，采用洁净煤燃烧技术和有效的
污染控制措施；二是加强电源结构的调整，在大力发展水电的同时，还应该积极
发展风能等新能源发电，努力实现能源的合理开发利用和优化配置。我国也在积
极加快可再生能源开发和利用，《中华人民共和国可再生能源法》已于 2006 年1
月1日正式施行。
因此，开发可再生能源就成为社会可持续发展的必由之路。新能源又称可再
生能源，包括太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等。风力发电作为一种具
有大规模开发潜能的电力，受到广泛的关注，据统计，近十年来，世界能源电力
市场发展最为迅速的是风力发电等新能源。太阳能发电每年增长高达 30.9％，风
力发电紧随其后，达 30.7％。制约太阳能发展的是太阳能电池技术，因成本较高，
使得太阳能生产的电在价格上高于风力和燃煤发电。欧洲风能协会和国际绿色和
平组织在 2000 年出版了《Wind Force 12》一书，预测至 2020 年，全球风力发电
装机量将达到 12.31 亿千瓦，年安装量将达到 1.5 亿千瓦，风力发电将占全球发电
总量的 12％，有可能成为世界未来最重要的替代能源。风力发电的高速增长得益
于风电技术的成熟，目前兆瓦级风电机组已达到商业化生产水平，成为当前世界
风力发电的主力机型。2007 年,国际上已商业运行的最大的风电机组单机容量为
风力发电机组变桨距控制系统的研究
2
5MW, 叶轮直径达 130 m, 安装在 120m 高的塔架上,预计 2010 年将开发出 10 MW
的风电机组。新的风电机组叶片的设计和制造广泛采用了新技术和新材料，新的电
力电子技术以及数字信号处理控制技术等，都有效地改善并提高了风力发电总体
设计能力和水平。
我国风能资源丰富，全国陆上可开发利用的风能资源总量约为 2.53 亿千瓦。
资源分布也很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到 6-9m/s，
内陆地区如内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，
在这些地区均有很好的开发利用条件。这几年我国交通条件得到极大的改善，电
网覆盖程度有了很大提高，许多风资源丰富地区已置于电网覆盖之下，也为我们
建设大型风电场提供了更有利的条件。因此，缓解能源紧张，改善环境，开发我
国丰富的风力资源是一条符合科学的、可持续发展的道路。
我国风电发展始于上世纪 80 年代,经过二十多年的发展,风电产业已形成了
一定规模。通过“九五”、“十五”的技术攻关、产业化和引进消化吸收再创新，
我国风电技术和装备水平有了显著提高,具备了齿轮箱、叶片、电机等关键零部件
的制造能力。截至 2007 年,我国风电产业已掌握 600kW、
750kW、
1.2MW 和1.5MW
风电机组制造技术，2007 年11 月2MW 直驱式风力发电机组的并网发电, 2MW 永
磁同步风力发电机的下线,标志着我国风力发电装备研制技术取得重大突破[2]。
§1.2 风力发电技术发展趋势
近年来世界风力发电发展十分迅速，每年其容量以 30％左右的速度递增。目
前世界市场上风电机组的技术发展趋势主要有以下几点：
1) 风力发电单机容量继续稳步上升
为了降低风力发电的成本，提高风电的市场竞争能力，随着现代风电技术的
发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、
提高转换效率的方向发展。
2) 变桨距调节技术迅速发展
变桨距调节的主要优点为桨叶受力较小，桨叶可以做得比较轻巧，风电机组
的结构部件都可以做得比较轻巧，其缺点为结构复杂；失速调节方式的主要缺点
是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制，额定风速较高，在风速超过额定
值时发电功率有所下降。采用变桨调节方式能充分克服以上缺陷，故得到了迅速
的应用。在兆瓦级以下，失速调节方式仍以其独特的优势被广泛采用，失速型机
组在当今的大型风电机组市场上仍占据相当的份额。但随着机组大型化的发展，
兆瓦级以上的风电机组普遍采用了变桨变速的先进技术。尽管变桨变速型机组的
第一章 绪 论
3
造价高于额定功率相同的失速型机组，但它的综合效益并不低，技术特点也很明
显。随着风电机组单机容量的不断增大，变速恒频变桨距型风电机组也逐渐占据
了主导地位。2MW 以上的风力发电机组大多采用三套独立的电控调桨机构，通过
变桨电机和减速机对桨叶分别进行闭环控制。
3) 变速恒频技术快速应用
变速恒频方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，
从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率，从理论上说是最优化的调节
方式。这种调节方法可以在输出功率低于额定功率之前使效率达到最高。但当输
出功率大于额定功率，即风速大于额定风速后，其调节方式与变桨距方式相同。
4) 新型变流器出现
目前商用的变速恒频风力发电系统中一般都采用交-直-交变流器，由于存在中
间直流环节，导致了变流器效率不高，而且体积较大。而交-交型矩阵变换器可以
克服以上缺点，并且控制自由度大，可获得正弦型的输入电流和输出电压，波形
失真度小；输入功率因数可任意调节，能量可双向流动，非常适合变速恒频风力
发电应用场合。但交-交型矩阵变换器的应用还取决于双向可控器件的进一步发展。
§1.3 课题的背景及意义
在风力发电技术发展的初期，风力发电机组都是设计成能够进行全桨叶变桨
距的，因为从最基本的空气动力学角度来进行分析，当风速改变的时候，桨叶节
距角如果能够做出相应的改变，使得气流对叶片的迎风攻角能够保持最佳，这样
就能够使机组对风能的利用效率达到最高。但是在最开始的时候，设计人员对机
组的整体的运行状况认识还相当不足，设计出来的变桨距系统的可靠性和实用性
都远远不能满足当时风机正常稳定运行的要求，所以后来进入到商品化的风力发
电机组都放弃了在当时设计并不成熟的变桨距机构，而采用了相对结构简单控制
方便的定桨距结构，也就是通过桨叶结构设计的自动失速性能来限制当风速超过
额定风速时机组的功率输出。
经过最近 30 多年的深入的研究，人们对风力发电机组的运行的具体情况和桨
叶的各种受力状态已经有了比较深入的了解，从功率控制角度，设计人员已经不
再满足于仅仅保证机组运行的稳定可靠，还开始追求更高的风能利用效率和尝试
不断优化的机组的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力发电机组可使叶轮重量
减轻，并使整个机组的受力状况大为改善，这对大型机组的总体设计十分有利。
因此近几年来，随着风机额定输出功率的不断提升，变桨距控制系统又重新受到
了设计人员的重视。目前已有多种型号的大于 1MW 的变桨距风力发电机组进入市
风力发电机组变桨距控制系统的研究
4
场。从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中，变桨距型机组将取代定桨距
失速型机组。
为了确保能够既有利于环保又能够满足可持续发展的电能供应战略格局，当
今中国必须着眼于开发和使用清洁的可再生能源。对于当今的电能供应而言，其
中潜力最大的就是风力发电，但是目前风力发电成本的居高不下，成为制约我国
风力发电快速发展的主要因素，其中的基本原因一方面是风电机组关键部分（控
制系统）的设计水平不高，另一方面是进口的风力发电机组都为定桨距的小功率
风电机组，不能实现风能最大获取，而且发电效率低。风电场业内人士指出，只
有我们自己研究出来大型风电机组并实现相应的先进电控系统并网运行，不断提
高风电机组效率，再通过国家的政策倾斜和补助，才能使风力发电成本达到与常
规能源的发电成本持平，从而达到良性发展。由此可见，我国发展并网风力发电
的主攻方向是提高国产风电机组技术水平，研究开发具有自主知识产权的控制系
统势在必行，具有重大技术、经济和社会意义，其中一个重要方面就是在大型风
力发电机组上采用的变桨距控制技术。
随着国家对风能开发的重视，风电的关键技术攻坚已经陆续展开。在变桨距
控制技术研究方面，2004 年，魏毅立从理论分析、计算机仿真和实验等三个方面，
深入研究了变桨距调速风力发电机组控制系统，并应用于实践。定性分析了不同
攻角桨叶升力状况，研究了相对风速及其数学表达式，得到桨叶扭转结论。测绘
出风力发电机组功率曲面和功率等值线图，当风轮转速变化时，能高效吸收风能。
特别是低风时，调速发电机可使风轮低速旋转并依据最佳叶尖速比，增加发电量，
拓宽了风速利用范围[3]。2007 年，郭朝针对大型风力机变桨距控制要求，提出利
用电液伺服阀控制液压缸来实现对风力机叶片节距角的控制，设计了实现风力机
变桨距调节的执行机构，建立了电液伺服变奖距位置控制系统。在分析变速变桨
距风力发电机系统构成的基础上，建立了系统各部分的数学模型，并设计出变桨
距的速度控制器，利用 Matlab/Simulink 软件建立了风力发电机系统的仿真模型，
进行了仿真研究，结果证明变桨距控制系统的可行性[4]。
本课题主要来源于江苏天地风能设备有限公司的 TD70s 风力发电机组研制项
目，旨在对大型风电机组的独立变桨距系统及其新型控制方法进行理论上的设计、
分析与研究，为我国在大型风电机组变桨距系统国产化方面的研发工作提供一些
设计思路和理论分析结果。
§1.4 课题主要研究内容
本文的主要任务是，在研究国内外变桨距控制系统相关资料的基础上，以国
摘要：

摘要能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风能因具有可再生、无污染等优点，正受到世界各国的重视。高效而可靠的风力发电系统的研究与开发已成为能源技术领域的热点和难点。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定等特点，对风力发电机组尤其是大型风电机组控制技术的深入研究具有十分重要的现实意义。本文以国产1.5MW风力发电机组为依托，对大型风力发电机组变桨距控制技术进行了较深入的研究。本文首先分析了风力发电机组的总体结构和变桨距控制原理，并对机组变桨距的两种实现方式：液压驱动变桨系统和电动变桨系统进行了分析和比较，根据本课题风力发电机组的特点选用电动变桨距系统；参考国内外的相关资料，提出一种独...

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