【正文】 。 、 圖 表要求： 1）文字通 順 ， 語 言流 暢 ， 書寫 字跡工整，打印字體及大小符合要求，無 錯(cuò)別 字，不準(zhǔn) 請(qǐng) 他人代 寫 2）工程 設(shè)計(jì)類題 目的 圖紙 ，要求部分用尺 規(guī)繪 制，部分用 計(jì) 算機(jī) 繪 制，所有 圖紙應(yīng) 符合 國 家技 術(shù)標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 范。 1 第 1 章 緒論 風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展到 20世紀(jì) 80年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)還比較少，技術(shù)也不夠成熟，發(fā)展到 90年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，設(shè)計(jì)、制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級(jí)從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆瓦級(jí)。 對(duì)于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)高，而當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅度下降，這時(shí)隨著風(fēng)速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點(diǎn)后，槳葉已開始失速，風(fēng) 速升高，功率反而有所下降。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動(dòng)變槳和液壓變槳兩種，主要是動(dòng)力不一樣，電動(dòng)變槳用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動(dòng)。 我國早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但直到 90年代，風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場(chǎng)。 風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景和意義 風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景 在 21世紀(jì)的今天，能源、環(huán)境已成為人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。從全球范圍來看，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)從試驗(yàn)研究階段迅速發(fā)展為一項(xiàng)成熟技術(shù)。截止到 20xx年 12月底，全球的風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量已經(jīng)超過了 ；國內(nèi)已有 25個(gè)省、市、自治區(qū)已具有風(fēng)電裝機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總的裝機(jī)容量達(dá)到 6500萬千瓦。當(dāng)前， 單機(jī)容量越來越大，兆瓦級(jí)別的機(jī)組占據(jù)了主要位置，變槳矩技術(shù)已經(jīng)成為了風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)。 我國幅員 遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)力資源。由于我國風(fēng)力發(fā)電起步慢，技術(shù)相對(duì)落后，在加快 發(fā)展規(guī)模的同時(shí)，要引進(jìn)國外技術(shù)，學(xué)習(xí)歐洲國家的先進(jìn)技術(shù)。 2) 依據(jù)風(fēng)力機(jī)槳葉空氣動(dòng)力學(xué)原理，分析了風(fēng)力機(jī)的受力情況，從理論上推出變槳距控制規(guī)律；同時(shí)根據(jù)變槳距控制規(guī)律，設(shè)計(jì)了采用電液比例控制技術(shù)的變槳距整體控制方案。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制原理 從能量轉(zhuǎn)換的角度看 , 風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)子將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 , 再通過轉(zhuǎn)軸、增速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 5 A— 風(fēng)輪葉片掃掠面積 , 單位 : m2； v— 風(fēng)速 ( 指未擾動(dòng)氣流的流速 ) , 單位 : m/s； C P— 最大值為 , 此即為有名的貝茲極限 [5] 。 n— 轉(zhuǎn)速 , 單位 : r/s。 (2) 當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，應(yīng)增大槳葉槳距角 θ，減小風(fēng)能利用系數(shù)Cp ，達(dá)到降低發(fā)電機(jī)輸出功率的目的。提高風(fēng)能利用效率、改善風(fēng)電質(zhì)量、降低風(fēng)電成本是發(fā)展風(fēng)電技術(shù)的前提條件，許多學(xué)者利用現(xiàn)代控制技術(shù)在改善風(fēng)電系統(tǒng)性能、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行和改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等方面進(jìn)行了大量的研究。失速會(huì)導(dǎo)致葉片的升力下降而阻力上升，同時(shí)隨風(fēng)速增大氣動(dòng)效率下降，限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出功率。當(dāng)風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。由于槳距 8 角可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此在高風(fēng)速情況下可使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率，這意味著變槳距風(fēng)電機(jī)組對(duì)由溫度和海拔高度的變化所引的空氣密度的變化并不敏感。從風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，小容量的風(fēng)力機(jī)尚可使用定槳距失速控制，大容量的風(fēng)力機(jī)大多采用變槳距控制技術(shù)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速的時(shí)，變槳矩機(jī)構(gòu)控制槳葉向 0 o方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪由于槳葉受力開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 為了使控制過程簡(jiǎn)單化，早期的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前采用不控制槳葉的槳矩角的方式。然后，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速的時(shí)，槳葉的槳矩角就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度；反之，槳葉向迎風(fēng)而增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。這時(shí)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同，它的功率完全取決于槳葉的氣動(dòng)特性?？刂菩盘?hào)的給定值是恒定的，即額定功率。 節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào) 經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動(dòng)液壓 缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。 ,風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)人同步轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速從 O 增加到 5OOr/min 時(shí)，節(jié)距角給定值從 45176。 速度控制 B (發(fā)電機(jī)并網(wǎng)） 發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)以后，速度控制系統(tǒng) B作用。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到 2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速 調(diào)正到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。 與速度控制器 A的結(jié)構(gòu)相比，速度控制器 B增加了速度非線性化環(huán)節(jié)。液壓伺服變槳矩系統(tǒng)具有傳動(dòng)力矩大、重量輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn)。槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，槳矩角的變化同液壓缸位移成正比。液壓缸的位移由液壓比例閥進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。如圖 38所示。在輪轂內(nèi)齒圈的邊上又安了一個(gè)非接觸式位移傳感器，對(duì)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行直接檢側(cè)，即槳葉槳矩角變化，當(dāng)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，則非接觸式位移傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，充分利用了有限的空間，實(shí)現(xiàn)了分散布置，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一槳葉進(jìn)行控制，但對(duì)于大功率風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差。它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出和剎車制動(dòng)提供了足夠的能力。采用比例放大器控制比例電磁鐵就可實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥進(jìn)行遠(yuǎn)距離連續(xù)控制，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量、方向的無級(jí)調(diào)節(jié)。通過這樣的轉(zhuǎn)換，一個(gè)輸入電壓信號(hào)的變化，不但能控制執(zhí)行元件和機(jī)械設(shè)備上工作部件的運(yùn)動(dòng)方向，而且可對(duì)其作用力和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中采用電液比例方向閥用于連接系統(tǒng)的電氣與液壓部分，將輸入的小功率電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯的運(yùn)動(dòng)，從而控制液壓能源流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量與壓力，實(shí)現(xiàn)電、液壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，以及對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。這樣就容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和程序控制，同時(shí)又能夠?qū)㈦姷目焖?、靈活等特點(diǎn)與液壓傳動(dòng)功率大等特點(diǎn)結(jié)合起來，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量。這種方案變距力很大，液壓系統(tǒng)復(fù)雜，而且三個(gè)液壓缸的控制也較難，存在電氣布線困難增加風(fēng)輪重量、輪轂制造難度大和維護(hù)不方便等問題。 圖 42為變槳距控制系統(tǒng)控方案圖。變槳距控制器得到目標(biāo)槳距控制指令后，與位置傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出控制電壓給電液比例方向閥，來控制油缸的位移，進(jìn)而控制槳距角的大小，完成變槳距控制過程。風(fēng)輪的輸出功率調(diào)節(jié)是通過液壓缸活塞桿的移動(dòng)控制葉片接受的風(fēng)能來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)橛透鬃笥仪坏挠蛪航葡嗟榷仪挥行娣e大于左腔面積，活塞所受合力方向向左，液壓缸活塞向左移動(dòng)，左腔壓力油通過單向閥壓回蓄能器。為了能用一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)三個(gè)葉片的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，這里設(shè)計(jì)了同步盤。這樣，通過同步盤和連桿，活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為三個(gè)葉片的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。 上述的變槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖 45所示 圖 45 變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖 21 變槳距液控單元的設(shè)計(jì)方案 依據(jù)前面所講變槳距結(jié)構(gòu)原理，本文采取原理圖如圖 46所示的變槳距液壓系統(tǒng)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)由兩個(gè)壓力保持回路組成。泵的流量變化根據(jù)負(fù)荷而定。在運(yùn)行、暫停和停止?fàn)顟B(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)自動(dòng)工作，在緊急停機(jī)狀態(tài)，泵被迅速斷路而關(guān)閉。緊跟在濾清器外面，先后有二個(gè)壓力表連接器（ Ml和 M2)，它們用于測(cè)量泵的壓力或?yàn)V清器兩端的壓力降。在檢驗(yàn)蓄能器預(yù)充壓力或系統(tǒng)維修時(shí)節(jié)流閥 181用于釋放來自蓄能器 161的壓力 油。 變槳距控制 變槳距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制是通過比例閥來實(shí)現(xiàn)的。 ~ 88176。該單向閥確保比例閥 T 口上總是保持 1bar壓力，避免比例閥阻尼室內(nèi) 的阻尼“消失”導(dǎo)至該閥不穩(wěn)定而產(chǎn)生振動(dòng)?？刂齐妷汉妥儤嗨俾实年P(guān)系如圖 47所示。先導(dǎo)止回閥 24裝在變槳距液壓缸后端靠先導(dǎo)壓力打開以允許活塞雙向自由 流動(dòng)。把比例閥通電到“跨接”（ P— B， A— T)時(shí)，壓力油通過止回閥傳送進(jìn)人液壓缸后端，活塞向左移動(dòng)，相應(yīng)的槳葉節(jié)距向 + 88。機(jī)械端點(diǎn)而不受 來自比例閥的影響。在停機(jī)狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動(dòng)停 /起運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓缸右端將由兩部分液壓油來填補(bǔ)：一部分來液壓缸左端通過電磁閥 192，節(jié)流閥 17單向閥 115和24的重復(fù)循環(huán)油；另一部分油來自油箱通過吸油管路及單向閥 115和 24。這一閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方案簡(jiǎn)圖如 411所示。 412 比例控制放大器組成原理圖 28 第五章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)建模 變槳距電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)變槳距電液比例控制系統(tǒng)，如圖 48所示，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電液比例位置控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)通過控制比例方向閥輸出壓力，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿位移的控制。該放大器可視為比例環(huán)節(jié) [9] ，其傳遞函數(shù)為： )()( SUKSI A? （ 51） 式中： K A— 比例控制放大器增益，單位 : A/ V ； I — 為比例電磁鐵輸入電流 。 液壓比例系統(tǒng)中，一般從閥的負(fù)載流量特性、液壓缸流量方程和液壓缸的力方程三方面來建立數(shù)學(xué)模型 [10]。 單位 : Pa； ? 為液壓缸有桿腔面積和無桿腔面積之比。 （ 3）液壓缸受力平衡方程 忽略庫侖摩擦等非線性負(fù)載和油液的質(zhì)量，考慮最一般的情況，活塞受力包括慣性力、粘性阻力、彈簧力和任意外負(fù)載力，根據(jù)牛頓第二定律建立活塞受力的平衡方程為： LSPL FYKdtdyBdt ydMPAPAPAF ??????? 22112211 （ 515） 在初始條件為零的情況下對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換得： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?sFsYKssYBsYsMsPA LspL ???? 211 （ 516） 式中： M 1— 活塞以及與活塞相聯(lián)的負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量，單位 :kg； B P— 活塞和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)，單位； N/ms? 32 K S— 負(fù)載彈性剛度，單位； N/m F L— 作用在活塞上的任意外干擾力，單位 N。 在 ps BK ,0? 很小的情況下，不考慮外負(fù)載 F L 的作用在 ps BK ,0? ，根據(jù)式 (517)，可以得到以閥芯位移信號(hào) X ( s )為指令輸入，以活塞位移信號(hào) Y ( s )為輸出的閥控液壓缸的傳遞函數(shù)： 33 ? ? ? ?? ????????? ???? 12221sssAKsXsYsGnnnq??? （ 518） ? ?11321 1VMA en ??? ?? （ 519） ? ? ? ?31 111311 1212 ????? ????epecen M VABVMAK （ 520） 式中： ω n— 閥控液壓缸無阻尼液壓固有頻率；單位； rad/ s ； ξ n — 閥控液壓缸液壓阻尼系數(shù)。 34 圖 54 變槳距電液比例控制系統(tǒng)方框圖 根據(jù)圖 54，在不考慮負(fù)載作用的情況下，可寫出變槳距電液比例控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： ? ? ? ?? ????????? ?????????? ????1212 2222 sssssKKKKsUsYsGnnnhhhFMVAK?????? 式中： K M—速度放大系數(shù)，定義為1AKK qM? K — 開環(huán)放大系數(shù) 開環(huán)傳遞函數(shù)式中的分母為五階，分析起來較為復(fù)雜，仍需進(jìn)一步簡(jiǎn)化，在系統(tǒng)中液壓缸對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有決定性影響，也就是說一般情況ω h ωn，因此，開環(huán)傳遞函數(shù)可作如下近似 ? ? ? ?? ????????? ??????????? ????1212 2222 sssKsssKKKKsUsYsGnnnnnnFMVAK?????? （ 522） 其中： FMVA KKKKK ? ? ? ? ?? ?FMVAnnnMVABKKKKsssKKKsUsYsG????????? ????1222 ??? （ 523） 35 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 動(dòng)態(tài)指標(biāo)中，最主要的就是穩(wěn)定性，穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行的首要條件，因此，只有動(dòng)態(tài)過程是收斂的，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能才是有意義的。為使系統(tǒng)穩(wěn)定， n??? 時(shí)的幅頻曲線峰值必須在 0dB 線以下，即 20lg dBjG nK 0)(