风力发电机组新型传动系统及变速变桨距控制策略优化重 庆 大 学 硕 士 学 位 论 文（学术学位）学生姓名：杨 鑫指导教师：李奇敏 副 教 授专 业 ： 机 械 制 造 及 其 自 动 化学科门类：工 学重 庆 大 学 机 械 工 程 学 院 学 院二 O 一 三 年 五 月Study on a Novel Drive Train and theOptimized Strategy for Variable-speed PitchControlledA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByYang XinSupervised by Ass. Prof. Li QiminSpecialty: Mechanical Manufacturing& AutomationCollege of Mechanical Engineering ofChongqing University , Chongqing, ChinaMay 2013中文摘要摘 要当 环 境 能 源 成 为 如 今 人 类 生 存 发 展 所 面 临 的 紧 要 问 题 ， 风 能 因 其 无 污 染 和 可再 生 的 特 点 得 到 了 各 国 的 普 遍 认 可 。 风 力 发 电 机 组 正 朝 着 大 功 率 、 高 效 率 、 高 可靠 性 的 方 向 发 展 ， 因 此 传 动 系 统 和 控 制 系 统 的 研 究 得 到 了 广 泛 的 关 注 。 本 文 中 新型 传 动 系 统 是 由 行 星 轮 系 和 液 力 变 矩 器 构 成 的 ， 对 液 力 变 矩 器 的 输 出 转 速 进 行 控制 ， 实 现 功 率 的 分 流 ， 就 能 够 实 现 风 速 的 变 速 输 入 、 恒 速 输 出 ， 解 决 了 由 于 风 载荷 的 随 机 性 而 引 起 的 风 力 发 电 机 电 压 变 化 的 问 题 。 变 桨 距 控 制 系 统 可 以 实 现 风 能的 最 大 捕 获 、 载 荷 的 减 小 以 及 使 用 寿 命 的 延 长 。 风 能 的 最 大 捕 获 和 载 荷 的 最 小 化是 两 个 相 互 矛 盾 的 要 素 ， 本 文 所 研 究 的 优 化 控 制 策 略 ， 在 这 两 者 之 间 达 到 平 衡 。本 文 研 究 的 内 容 主 要 包 括 ： 在 分 析 了 传 动 系 统 及 不 同 类 型 液 力 变 矩 器 的 特 点 后 ， 本 文 采 用 导 叶 可 调 式液 力 变 矩 器 ， 以 实 现 传 动 系 统 的 高 效 率 ， 变 速 输 入 、 恒 速 输 出 的 特 点 。 为 了 深 入研 究 新 型 传 动 系 统 ， 在 行 星 齿 轮 传 动 理 论 的 基 础 上 ， 运 用 流 体 力 学 能 头 理 论 建 立新 型 传 动 系 统 的 非 线 性 动 态 数 学 模 型 。 并 提 出 了 一 种 新 的 功 率 分 配 计 算 方 法 ， 使功 率 分 流 模 型 不 只 局 限 于 静 态 条 件 下 ， 考 虑 了 实 际 运 行 中 的 风 速 变 化 等 问 题 ， 所建 立 的 功 率 分 流 模 型 更 加 准 确 ， 这 样 才 能 使 新 型 传 动 系 统 更 加 符 合 整 体 匹 配 的 原则 。 对 风 力 发 电 机 进 行 了 空 气 动 力 学 的 研 究 ， 为 风 力 发 电 机 的 桨 距 控 制 方 法 和策 略 优 化 奠 定 了 理 论 基 础 。 分 析 了 风 力 发 电 机 组 常 用 控 制 策 略 ， 以 此 为 基 础 ， 提出 了 一 种 综 合 性 能 的 优 化 控 制 策 略 。 该 控 制 策 略 扩 大 了 过 渡 区 的 范 围 ， 很 好 的 解决 了 最 大 风 能 捕 获 和 最 小 机 械 负 荷 之 间 的 平 衡 问 题 。 基 于 PID 控 制 理 论 、 模 糊 控 制 理 论 和 单 神 经 元 网 络 理 论 的 优 点 ， 结 合 各 控制 系 统 实 际 运 用 过 程 当 中 的 特 点 ， 设 计 了 应 用 于 风 电 机 组 新 型 传 动 系 统 的 自 适 应模 糊 PID 控 制 器 ， 以 及 变 速 变 桨 距 优 化 控 制 策 略 三 种 不 同 风 速 下 的 控 制 器 平 滑 过渡 方 案 。 对 于 优 化 控 制 策 略 过 渡 区 ， 使 用 了 自 学 习 、 自 适 应 能 力 较 强 的 单 神 经 元模 糊 控 制 器 进 行 控 制 。 应 用 MATLAB/SIMULINK 建立了传动系统以及变桨距系统仿真的模型。仿 真 结 果 表 明 ， 自 适 应 模 糊 控 制 器 控 制 效 果 强 于 常 规 PID， 变 桨 距 控 制 系 统 的 设 计也 获 得 了 较 好 的 控 制 效 果 。关键词： 风 力 发 电 机 ， 传 动 系 统 ， 变 桨 距 控 制 策 略 ， 单 神 经 元 ， 模 糊 控 制I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACTWhen environment and energy is treated as the critical issues of human survivaland development, the wind energy has been widely recognized by all countries becauseof its non-polluting and renewable characteristics. The wind turbine has the tendency ofhigh power, high efficiency and high reliability, so the drive train system and controlsystem has been widely concerned. In this paper, a novel drive train realizes the purposeof variable speed input and constant speed output. And the control system plays a keyrole in wind energy capture maximization, system fatigue load reduction, service lifeextension and etc. The following aspects are studied. The drive train consists of a planetary gear train and a hydrodynamic torqueconverter with adjustable guide blades. The purpose of variable speed input andconstant speed output as well as step-less speed regulation of the system can be realized.To further research the speed regulation principle and its stability, with the planetarytransmission theory, the nonlinear dynamic mathematical model of the novel drive trainwith wind turbine established on the basis of hydrodynamics energy head theory isresearched. And a new power distribution calculation method is proposed, consideringthe problem in the actual operation. Based on aerodynamics and an analysis of basic control strategy forvariable-speed pitch controlled wind turbine, an optimized control strategy of enlargingthe transition region is proposed to mitigate the harmful effects. A three-controllersmooth transition scheme is designed to fulfill the optimal tracking to the optimizedcontrol strategy A fuzzy PID controller applied to the drive train system is designed based onfuzzy theory and PID control theory. And in the transition region, the variable-speedpitch controlled system is based on the fuzzy neural network theory. Simulations of the controllers are carried out by applying MATLAB/Simulink.Compared with the effect of the traditional PID controller to the system, the fuzzy PIDcontroller has advantages in higher precision and smaller overshoot. The result alsoindicates that variable-speed pitch control system has a good effect.Key words: Wind Turbine, Drive train, Pitch control strategy, Neural Network,Fuzzy controlIII重庆大学硕士学位论文IV目 录目 录中文摘要. I英文摘要. III1 绪 论 .