风力发电仿真系统建模与开发

作     者：杨天治 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张贝克

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：风力发电 信息流图 UML 迟滞环控制 积分饱和 

摘      要：随着世界常规能源（石油、煤）的减少，人类开始大规模的尝试新能源作为替代品，其中风能已经取得一些成就，并开始得到推广。我国的风能事业在近十年出现“爆发式的增长，总装机容量和新增装机容量均处于世界前列，但与之配套的风能人才培养尚未跟上脚步。因此本课题通过开发风力发电仿真软件，为培养风力发电方面的人才提供培训设备。 本文在提出风力发电仿真结构的基础上，着重对风轮模型和发电机模型进行介绍。在风轮模型中，探讨三种不同的建模方法，并给出每种建模方式的优缺点和仿真信息流图，同时针对风机的“自锁现象进行理论推理和仿真验证;在发电机模型中，借助Matlab分析直接建模方法的优缺点，针对矢量变化建模方法完成仿真信息流图设计。 以UML为工具，从功能模型、对象模型、动态模型三个方面对风力发电仿真软件进行设计和分析。其中通过对象模型的设计，将风机拆分成模块化进行开发，充分利用C++语言的多态性开发四种风机类型,实现风机的全工况仿真。最后完成的风力发电仿真软件以3D界面显示，不仅能够实现场景漫游，观察风机内外部结构，而且可以进行故障设置和故障修复。软件实时与工业PLC进行数据交互，提供丰富的测量点和控制点，可以进行多种类型的实验，全面考察使用者的控制程序。 在控制验证环节，完成风机的开机、停机和稳态控制回路设计。通过带有迟滞环的偏航控制器，能够保证风能利用效率的同时减少偏航系统的转动，延长偏航机械结构的寿命;针对桨距控制回路中常用的普通PID控制器，在分析其容易发生积分饱和的原因基础上，设计带有积分切除功能的PID控制器，有效克服积分饱和的缺点，保护风机的电气设备。通过这些实验进一步验证模型的正确性和仿真软件的可靠性。