风力发电半实物仿真控制系统设计开题报告

1．本课题研究的背景、目的及意义

1、课题研究的背景

风能是空气流动所产生的动能。风能资源的总储量非常巨大，一年中技术可开发的能量约5.3X10^13千瓦时。风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但它的能量密度低，并且不稳定。

风力发电是把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电力能。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

风力机组的偏航控制是将风轮始终处于迎风状态以获取最大的风能的控制方法。精密的测风仪器将检测信号传输给控制器，经过分析后驱动偏航系统的电机和齿轮箱使风机尽可能的减少风能损失，增加有效工作时间。偏航刹车主机室的转动方向应该是按照指令的方向转动的。当偏航电机转动的时候，液压刹车系统处于释放状态，当偏航电机停止转动时，液压刹车系统处于刹车状态，将主机室固定在相应的位置上。在偏航系统中包括电缆防缠绕检测器，防止在主机室根据风向在转动时使内部的电缆通过缠绕而损坏。如果电缆遭到缠绕，那么在主机室下次转动时，根据电缆缠绕的情况，主机室将向相反的方向转动，使得被缠绕的电缆重新回复到原来的位置上。

另外，对这种风能分布广泛、东多西少、季节性强的对象，由于难以建立准确的模型，故用传统的控制方法处理这类对象遇到了很多困难，很难达到理想的控制效果。本题目以风电机组的偏航控制环节为对象，运用传感器技术、Matlab/Simulink仿真技术和自动控制技术，完成风力发电偏航控制设计。

2、课题研究的目的、意义

风力机组偏航控制系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器，电缆保护装置，偏航液压回路等几个部分组成。

偏航控制系统有三个主要任务：

(1)正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，直到达到允许的误差范围内，自动对风停止。

(2)绕缆时自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转2-3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2-3圈解绕;若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕;若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕;若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。

(3)失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时，停机，以保护风轮免受损坏。

意义：风电机组的偏航控制所风力发电机能够更好的运行在一个良好的状态，当低风的时候能够让风轮正对风向，获得最大的风能；当风能较大的时候，为了能够避免风力发电机的损坏，可以调节风轮与风向的角度，减少风能的获得。所以恰当的偏航控制，能让我们的风力发电机更加经济、平稳的运行。

2．本课题主要研究内容和预期目标

本课题研究内容：

1. 风电机偏航控制环节的建模

   风电机偏航控制环节的结构分析、风电机偏航控制环节动态方程式建立。

2. 风电机偏航控制环节的控制及仿真

   在风向的数字量输出端口，通过传感器采集信号完成Matlab实时曲线显示并保存。

3. 风电机变桨控制环节的软件和硬件设计

   完成风电机变桨控制由理论分析到实体模型的建立，完成预期想要到达的结果。

4. 风电机变桨控制环节的上位机软件

   由上位机软件完成人机之间的交流，使风电机偏航控制实现更为人性化。

   预期目标：

   本题目以风电机组的偏航控制环节为对象，运用传感器技术、Matlab仿真技术和自动控制技术，完成风力发电偏航控制设计。通过毕业设计掌握风力发电偏航控制系统的基本原理，以及电气控制系统的分析、设计、仿真和调试的方法与步骤。

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

要求完成以下步骤：

1. 分析风力发电偏航控制系统的结构和原理。

2. 通过机理分析，建立风力发电偏航系统模型。

3. 风力发电偏航控制的Matlab仿真。

4. 风力发电偏航控制的硬件设计。

5. 风力发电偏航控制系统上位机监控软件设计。

6. 风力发电偏航控制的半实物仿真的实现。

4．本课题主要参考文献

1、孔屹刚，王杰，顾浩，等. 大型风力机气动载荷分析与功率控制[J]. 太阳能学报. 2012, 33(6): 1023-1029.2、宋立伟，崔总泽，李子健，等. 新型双转子结构风力发电系统及其双模功率控制策略[J]. 中国电机工程学报. 2014.34（36）:6499—6505.3、 马祎炜, 俞俊杰, 吴国祥, 等. 双馈风力发电系统最大功率点跟踪控制策略[J]. 电工技术学报,2009,24(4):202-206.4、崔总泽，王士亮，史立勤，等. 一种新型结构变速恒频风力发电机组系统及其控制策略[J]. 电工技术学报. 2013, 28(7): 80-86.5、 吴国祥, 黄建明, 陈国呈, 等. 变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略[J]. 电机与控制学报, 2008,12(4): 435-441.6、邢作霞，陈雷，孙宏利等.独立变桨距控制策略研究[J]. 中国电机工程学报. 2011, 31(26): 131-138.

7、葛海涛.基于MATLAB的风力发电系统仿真研究[D].河北：河北电力大学，2010.

8、张义华，李隆键.水平轴风力机空气动力学数值模拟[硕士学位论文].重庆大学,2007.

9、郭新生.风能利用技术.北京：化学工业出版社. 2009.

10.孔屹刚.风力发电机技术及其MATLAB与Bladed仿真.北京：电子工业出版社，2013.

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

1）第01～02周：收集资料，知识准备及做开题报告。

2）第03～04周：系统方案设计及可行性研究。

3）第05～07周：系统软件设计及编程。

4）第08～11周：系统硬件设计及绘图。

5）第12～13周：系统的软硬件调试和设计收尾工作。

6）第14周： 撰写毕业论文和毕业设计答辩准备。