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风力发电电动变桨距伺服系统的研究

范烨  
【摘要】:风能是一种可再生、清洁能源,有效的开发利用风能可以保护地球生态环境、减缓地球资源消耗。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性的特点,因而风力发电机组的输出功率波动很大。并且因为风轮直径随着风力发电机组容量的不断增大而增大,加剧了海拔、风剪切和湍流等因素造成风轮桨叶受力不平衡的影响。变桨距控制技术能够有效的改善以上两方面的问题。 变桨距控制是指通过变桨距执行机构驱动桨叶转动,使叶片沿其纵向轴心转动,改变叶片的迎风角,从而调节风力机输出的功率。特别是在额定风速以上,可以限制风轮捕获风能的大小,使风力机的输出功率稳定在额定功率附近,保护风力机的机械结构不受损伤,提高风力发电机组的安全性和整个系统的稳定性。由于上述优点,风力发电机组的变桨距控制技术成为现在的研究热点。本文主要针对风力发电电动变桨距伺服系统展开研究,伺服电机选用异步电机,主要研究内容如下: 1、在基于异步电机按转子磁链定向的矢量控制技术的基础上,构建了变桨距伺服系统控制结构框图。系统采用位置环、速度环及电流环三闭环结构,以提高伺服系统的精确性、快速性及稳定性等性能。 2、在对风力发电变桨距控制系统理论研究的基础上,建立了电动变桨距风力发电系统,包括风速、桨距角控制器、变桨距伺服系统和风力发电机组等各部分的数学模型及相应的仿真模型,仿真结果表明:在额定风速以下,桨距角保持最小以捕获最大风能;额定风速以上,随风速的变化实时调节桨叶的桨距角,从而控制风力机捕获风能的大小,使风力机的转速稳定在额定转速附近、风力机的输出功率稳定在额定功率附近。 3、对变桨距伺服系统进行了硬件设计,包括主回路和控制回路的设计。主回路包括器件选型、参数选取等;控制回路包括DSP最小系统、采样电路、通讯电路、转速位置检测等;重点在系统可靠性、保护功能、系统的通用性及可扩展性、抗干扰能力等方面做了大量的工作。开发的硬件系统结构紧凑,满足实验需求。 4、在硬件平台上进行了软件编程,并进行了伺服系统位置环、转速环及电流环的系统调试及相关的动态性能实验。实验结果表明:伺服系统的位置能够跟随给定值,具有较好的跟随性能。


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