学号14113502505
毕业设计
题目：直驱式风力发电机组变桨距系统设计
作者李炳男届别2015届
系别机械工程学院专业机械电子工程指导教师郭洪澈职称副教授
完成时间 2015年5月17日
摘要
现在，市场上应用最好的就是采用独立变桨距控制的发电机组，它最主要的特点就是能够用风力机叶片轴心处的风俗对各个叶片进行同步控制。
但是由于风力发电机的容量在增长中，所以风力机的叶片也会越来越长，因此风力机上的叶片载荷会越来越大，而实际上，由于与地面之间会存在摩擦，而且风速也会随着高度的变化而变化，风力机风轮扫略的风速随着高度的变化而变化，这些个问题都会影响到风力机的使用寿命。
本文将会使风力机的独立变桨距控制部分分成两个部分：一部分是集中变桨距控制的部分；第二部分是修正变桨距控制部分。
本文采用非线性PID控制来对集中变桨距控制器进行设计，以使的风力发电机组的输出功率始终维持在一定的范围内；再通过采用状态反馈控制以及极点配置的方法来设计修正变桨距控制器，来减小风力机叶片上的载荷。
然后，通过把各个叶片上的集中变桨距角和修正变桨距角之和来作为叶片的独立变桨距角输入风力机，这样便可以对风力机进行控制。
我们在阶跃的风速和随机的风速下对风力发电机进行数字仿真的研究，结果表明独立变桨距控制能够减少风力机叶片上的载荷，从而有助于增加风力机的使用寿命，而且具有非常好的动态性能和静态误差。
状态反馈在风力机发电机的节点位置具有非常好的调节作用，但是如果对系统的动态特性需要非常高的要求时，基于状态反馈的独立变桨距控制系统的设计就难以达到要求。
关键词：变桨距；节距角；发电机
Abstract
At present ,variable pitch control with turbine is widespread in the market. This wind turbine uses the wind speed on the axis of the blade as the reference wind speed of wind blade synchronous control. In fact , because of the existing of ground friction,the wind speed if changing with the height and the wind speed in the surface of revolution of the wind blades. With the increasing of the wind turbine capacity,the difference of the blade wind speed with different spin high degree is gradually increasing,making the loads of the blades tend to gradually increase,this problem has seriously affected the wind turbine life.
The state feedback control has a good regulating effect in the vicinity of a wind turbine stable point,but if the system is required relatively high of dynamic performance, it is difficult for the independent variable pitch control based on the feedback to achieve the design intention.
The amended pitch plus the collective pitch is the independent pitch. Through the simulation of the wind turbine under the step and the random wind ,it follows that the independent variable pitch control of wind power generation system can reduce the loads of blade and extend service life of wind turbine, on condition that the output power is kept stable .
Keywords: Variable pitch ；Pitch Angle； generator
目录
摘要...................................................................... 第一章绪论.. (1)
1.1选题的背景、目的及意义 (1)
1.2国内外风力发电发展现状及发展趋势 (3)
1.2.1世界风力发电发展状况 (4)
1.2.2我国风力发电发展状况 (4)
1.2.3风力发电的发展趋势 (5)
第二章变桨距系统方案设计 (7)
2.1变桨距控制原理及控制过程 (8)
2.2统一变桨距功率控制 (10)
第三章风力发电机组变桨距控制 (11)
3.1风力机的空气动力学基础 (11)
3.2风力机桨叶的气动力 (12)
3.3风力 (13)
第四章基于反馈的独立变桨距控制器 (14)
4.1基于状态反馈的风力机独立变桨距控制 (15)
4.2非线性PID控制器 (16)
4.3基于极点配置的状态反馈控制器 (16)
4.4集中变桨距控制器设计 (16)
第五章控制系统软件设计 (18)
5.1控制系统的建模设计 (18)
5.2控制系统的仿真实验 (20)
5.3控制系统的结论分析 (24)
第六章结论与展望 (25)
参考文献 (24)
致谢 (27)
第一章绪论
1.1选题的背景、目的及意义
在现代社会，我们的经济建设离不开能源。
能源的利用与开发是我们非常关心的问题。
随着我国经济的高速发展，人们对于能源的需求日益增大，同时也产生了越来越多的环境问题，如大气污染、水环境恶化与矿物质能源的枯竭等。
这些问题给人们的发展提出了很多新的问题，也给人们的发展提出了新的要求，从而使人们越来越关注于可再生能源的开发与利用，越来越多的科技工作者开始研究可再生资源的开发。
因此，改变能源结构，开创可再生能源，减轻环境污染，提高人们的生活水平等已经成为现代能源发展的必经之路。
而风力发电正是人们通过大气环流的过程将风能转化为电能的过程，是重要的一种发电形式，为可再生能源。
随着社会的发展和革新，传统的能源已经越来越不能满足人们对额要求，并且传统的能源物质伴随着有环境污染等现象。
尤其是煤炭、石油等能源每年都在不断的减少，不仅加剧了能源危机，并且容易引发各个国家或者地区之间的纷争，导致邻国之间发生战争。
因此，从人类的可持续发展的过程来看，我们十分有必要去加强对于可再生能源的开发与利用。
因而，在近些年来，洁净的可再生资源的到越来越多的国家政府部门的重视。
从20世纪80年代开始世界能源危机以来，各国之间就开始加强国家间的相互合作，投入了大量的人力、物力和财力，来开发和研究新能源和可再生能源的利用。
无论是太阳能、风能、潮汐能等各个方面都取得了突破性的进展。
其中又以风能领域的研究突破最大。
众所周知，风能是一种没有污染的能源之一，取值不尽，用之不竭。
对于一些缺水、缺能源和交通不方便的牧区、岛屿、高原地带等，这些地方的风力资源都比较丰厚，具有非常大的开采潜能，非常适合风能的开采利用，同时又能够解决该地区能源短缺的问题，大有可为。
风能的利用是通过将风能的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，这样就实现了风能发电。
通过在地面上安装几台或者几十台的风力发电机组，然后将他们并联在一起，通过计算机进行统一的控制，并网发电，为电网供电的这种电能利用的方式我们成为风力发电机组。
大体上风力发电机组可以分为三部分：风轮、发电机和铁塔。
大规模开发利用风能的主要方式是风能发电，这也是世界上现在的一种主要的发展趋势。