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新疆农业大学机械交通学院课程论文课程名称:计算机控制技术学期：2016-2017学年第一学期专业班级：新能源132班学号：220130793学生姓名：温剑任课教师：李春兰提交时间：2016年12月28日班级新能源132学号220130793姓名温剑开课学院机械交通任课教师李春兰成绩1.论文题目：兆瓦级风力发电系统偏航控制系统的优化论文要求：1）论文内容和选题范围：与计算机控制技术相关的内容。2）独立完成，不得完全抄袭。可引用他人及网上成果，但要说明出处。3）篇幅要求：5～15页（A4）5）提交要求：在要求期限前提交电子文档，评阅后提交打印文档。6）提交截止时间：2016年11月10日课程论文评分标准及评分表一级指标二级指标等级评定参考标准分值得分论文选题（20分）性质研究问题界定准确，体现了专业课程的基本要求5意义和价值有一定的科学意义和实际价值5难度难度适当5知识综合性能综合运用所学专业知识阐述和论证问题，达到综合训练目的5论文质量（80分）摘要有高度的概括力，语言精练、明确10结构条理清晰，层次分明，结构严谨，内容完整，逻辑性强10论证论证充分，分析深入，选择的材料详实、典型、充分，理论与实践相结合，结论正确10研究手段能较好地运用本科所学专业常规研究方法及研究手段进行研究10写作能力文字流畅，语言表达准确，没有病句和错别字10创新能力能综合运用所学理论知识来发现和解决实际问题，有分析整理各类信息并从中获得新知识的能力，论文中有一定的创新见解和使用参考价值10参考文献文献有一定广泛性，质量高，有综合、归纳资料和提炼各种学术观点的能力，对有关问题的研究状况有较好的了解10写作规范性正文、目录、图表、脚注、参考文献、附录、计量单位、资料引用等格式规范，符合规定字数要求10合计100教师评语：教师签字：年月日兆瓦级风力发电系统偏航控制系统的优化作者：温剑指导老师：李春兰摘要：风能作为一种清洁的可再生能源,已经受到世界各国的高度重视。本课题以级双馈发电机组偏航控制系统为研究背景,重点对偏航控制系统对最大风能捕获率问题进行研究。针对双馈变速恒频风力发电机组来说,为了获取更多的风能,本文通过改善偏航控制系统,来提高风力机的发电效率。本课题提出了一种基于风向变化的偏航控制系统的优化策略,快速调节机舱的偏转角度,使风力发电机风轮法线方向与变化的风向始终保持一致,从而提高机组的发电效率,完成对偏航控制系统的优化。关键词：双馈风力发电机；偏航控制系统；爬山算法；优化1.引言双馈变速恒频风力发电机组的优点就是在额定风速下运行时,可以获取更多的能量,为了达到这个目的,需要对偏航系统更合理的控制,使发电机转速能跟从不断变化的风速,从而保证最优的叶尖速比,这样风机就能从风中获取更多的能量。但由于偏航控制系统中的风向传感器,因位于下风向,受到紊流等各种不利因素影响,且自身的测向精度也存在不足,使得控制信号都不甚理想,导致对精度不高。当对风精度在士。之内时,风向标传感器不能正常工作,进而不能实现对偏航系统的最优控制,降低了风力发电机组的发电效率。针对以上问题,本章提出一种基于大范围内的风向变化的传感器控制,小范围内的陀螺仪和爬山算法相结合的控制方法,快速调节机舱的偏转角度,使风力发电机风轮法线方向与变化的风向始终保持一致,实现对偏航控制系统的优化。2.基于风向标控制的偏航控制系统在对风精度大于月“时,风向标传感器能够正常工作,但是传感器的两个光敏二极管的状态并不是确定的或,所以此传感器的精度不高,指示并不明确。同时不能记录每次的偏航角度为解缆作参考。由此会对偏航系统的调向有一定的影响。经以上分析,为了提高偏航系统的调向精度,决定改用角位移传感器作为风向传感器,它具有很高的精确性、分辨率与可靠性。常用的角位移传感器有增量式角位移传感器与绝对式角位移传感器。它们的区别是增量式角位移传感器得到的角度是相对角相对上一个角度的差值,但是带方向,绝对式角位移传感器得到的角度是一个绝对值。绝对式角位移传感器在形式上又可分为接触式、光栅式、磁敏式几种形式。其中接触式由于要接触码盘,所以有磨损的缺点。磁敏式价格又较高。而光栅式兼有其两者的优点。绝对式角位移传感器的工作原理是它由照明系统、光栅副和光电元件组成。光栅副又有主光栅副与指示光栅副组成。当主光栅副相对指示光栅副移动时,形成的横向莫尔条纹产生亮暗交替变化,利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号转换成电脉冲信号,并利用数字显示,从而测量出主光栅的移动距离。绝对式角位移传感器主要有码盘和读码元件组成。码盘就是光栅副,这里使用的码盘是带有编码的码盘。对码盘上的每一位置都有一二进制编码,读码元件读出的二进制编码都对应码盘上的唯一位置。所以,它可以在任意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出,只要把前后两次的数字码相减就可以得出所要测量的角位移的值。同时每次读出的值都代表着一个绝对的角度。在这里选用绝对式角位移传感器。选用绝对式角位移传感器,可以实时检测到风力发电机与风向的偏离关系,及所需调向的角度与调向的方向。在调向时,我们可实时的一记录调向的角度,以便为下次调向作参考如果上次或上几次都是朝一个方向调向,并且角度之和己超出规定值,那么此次就应该反向调向。如图2.1所示,基于传感器的偏航控制系统的框架图。图2.1基于传感器的偏航控制系统的框架图3.基于爬山算法的风力发电机组偏航控制系统针对风力发电机组的风向变化绝对值偏航角度小于“的风能捕获率问题,提出一种在风向标不能工作时的情况下,采用陀螺仪和爬山算法相结合的方法来控制偏航机构,准确调节机舱的偏转角度,使风力发电机风轮法线方向与变化的风向始终保持一致,实现捕获最大风能的控制策略。3.1爬山算法的原理采用爬山搜索算法控制可以不断地搜索风机输出功率的峰值。当风力机惯量非常小时,这样风机速度对风速的反映几乎就是瞬时的,爬山搜索控制运行良好。如图3.1为爬山搜索算法的原理图。图中曲线的形状像一座座的山,每一座山的顶点为当前风速下最大功率的输出点,对应的发电机转速为最优转子速度,山的高即最大功率输出点的值,随着风速的增加而增加。实现了最大功率跟踪的过程类似于攀爬每座山的顶点,因此该算法称为“爬山算法”图3.1爬山算法原理图观察风力发电系统以转子速度ω为横坐标在不同风速下的转子输出功率P的特性曲线,每一条曲线都有一个最大点,最优的转子速度ω随着风速V的增加而增加。有了这种关系,我们不需要知道任何P(ω)数可以发生改变,根据速度控制器的设置点输入的改变风机的速度这意味着在风速恒定的情况下,工作点沿着图1.3中的某条P(ω)曲线上下移动。如果风力机速度保持恒定而风速发生变化,工作点将会沿着图1.3中垂直轴线移到另一条P(ω)曲线上。根据这些考虑,在下列情况下速度设置点输入增加.3.2爬山算法在偏航控制系统中的应用风力机的偏航系统原理图如图3.2所示,测风装置采用风速仪和风向标,风向标可随风自由的转动,其方向与风向一致,风速仪用来测定风速的大小。风速仪和风向标通常安装在机舱上方,其基准方向与叶轮平面法线方向一致,这样风向标方向与传感器基座基准方向的夹角就是风向与叶轮平面法线方向的夹角。通常风向传感器通过角度一电信号转换器将风向信号发送给控制器。当风向改变,超过允许误差范围时,控制器发出自动偏航指令,传动机构和偏航电机组成的对风系统执行校正动作,使机舱准确的对风。由于风力机叶轮湍流对位于下风向的风向传感器有较大的扰动,且因风向具有离散性和存在湍流作用,受其影响,风向标会不停地发生摆动,这样会大大缩短角度一电信号转换器的寿命。风力机上风向标的精度通常比较低,只能测出机舱与来风方向的大致角度,并不能检测出风的实际的方向,在台风等强风大风时,极易损坏。而且,风力机组的成本一直是函待解决的问题。为了有效地控制偏航系统,工业上开发应用卡尔曼滤波的控制、模糊控制、最优控制等控制器。这些控制器的偏航控制信号均来源于风向传感器。因位于下风向,受到紊流等各种不利因素影响,且自身的测向精度也存在不足,使得控制信号都不甚理想,进而导致对风精度不高。对风精度在士度的范围内时,风向标传感器无法精确测量到风向信号。本文提出了一种不需使用风向标传感器控制算法,寻找函数的最大值点。爬山算法,其用于检测发电功率,根据功率的变化,配合相应算法,来控制偏航电机的转向,寻找最大功率值点。这种算法可以取消风向标传感器,通过功率输出的比较,找到最大功率的方法。图3.2偏航系统原理图3.3偏航系统控制策略的设计在风力机偏航控制中利用风向标控制和功率控制两种方法。当风向变化绝对值大于“时,采用风向标控制方法当风向变化绝对值小于等于“时,由于位于下风向的风向标不能正常工作,则采用功率控制方法,因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化,功率检测仪测得发电机输出功率。其中,在功率控制中采用爬山算法能缩短风力机的对风时间、提高风力机对风精度和发电机组风能利用效率,延长风力机使用寿命。4.总结风力发电技术是一个相对较新的领域,其技术涉及空气动力学,机械学,控制理论,电力电子技术,计算机技术。近些年,我国风力发电产业在政府的支持下,已经有了很大的发展。国产化之路虽然艰难,但级的双馈型风力发电机组也已经在我国投产。风能是一种无污染的可再生能源,它取之不尽,用之不竭,我们相信,随着生态环境的要求和能源的需要,风电能源的开发日益受到重视,随着风力发电经济性日益改善,风能必然会成为国家能源工业中不可或缺的一部分。本文首先对系统机组中双馈发电机进行介绍分析,为双馈发电机的输出功率的数学模型提供参考依据,然后研究风力机组中的偏航控制系统,分析了影响偏航控制的因素,并介绍了偏航控制系统的结构,提出风向标传感器存在的问题。设计出偏航控制过程的流程图,基于以上分析提出了风向标控制和引用爬山算法的功率控制,在风向标控制中,应用性能优越的角位移传感器,在功率控制中应用爬山算法。设计了基于爬山算法的偏航控制系统的控制策略,及爬山算法的程序经过仿真软件,对发电机的输出功率进行仿真分析,根据爬山算法程序的计算,得出算法的可行性与有效性。但由于爬山算法是在忽略其他因素的影响下,进行的仿真分析,可是在现实的工况下,有很多影响因素,所以本文所提到的爬山算法在功率控制中应用要得到实际的应用,还需要进一步的对风况进行分析,利用非线性的理论来解决风力发电机组中影响偏航控制系统的不确定因素本论文是基于可编程控制器的风力发电控制系统。主要完成偏航系统的控制。偏航模块的设计通俗易懂，比较简单，主要功能是传感去检测到风向，系统分析归到相应区间进行不同方法的控制。论文中还存在着很多不足之处。例如在偏航控制模块中，偏航系统的方案偏简单，也不严谨，检测次数为初始的一次，若外界的风向改变，则不能再次改变航向，控制精确度不高，会在以后的学习生涯中更加努力学习，完善知识空缺，做到勤奋致学、严谨致学。。参考文献[1]李俊峰,高虎中国风电发展报告[J]中国环境科学出版社,2007(03):19-27[2]高梁.风力发电机组控制技术的研究—偏航控制方法的研究[D].成都:西华大学硕士学位论文,2008[3]严立刚.大型风力发电机组偏航系统的研究[J].中国科技博览,,2008[4]屈圭.并网风力发电机偏航传动装置设计分析[J].现代制造工程,2009[5]李晓燕.兆瓦级风力机偏航控制系统设计研究[D]上海:上海交通大学硕士学位论文,2006[6]孟祥忠，王博，杜兆文，王蔚，徐蓉．电力系统自动化[M]．北京大学出版社：北京，2006：55～107[7]AssociationWorldWideEnergy.WWEAhalfyearreport2014[R].2014.[8]张新房,徐大平,吕跃刚，等.大型变速风力发电机组的自适应模糊控制[J].系统仿真学报,2004,16(3):573-577.[9]张嘉英，王文兰，蔡永刚.风力发电机组偏航控制系统[J].OrdnanccIndustryAutomation：2009,28（11），54-55.[10]SiemensAG.S7-200可编程序控制器