風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與控制技術(shù)

前言

　　風(fēng)電是當(dāng)前開(kāi)發(fā)速度最快的可再生能源，其裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率超過(guò)30%。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)《關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的藍(lán)圖》的報(bào)告，期望并預(yù)測(cè)2020年全球的風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到12。31億千瓦。中國(guó)風(fēng)能資源豐富，近十年來(lái)風(fēng)電技術(shù)得到快速發(fā)展。按照《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》規(guī)劃，未來(lái)15年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到2000萬(wàn)～3000萬(wàn)千瓦，尤其對(duì)“可再生能源低成本規(guī)模化開(kāi)發(fā)利用”和“超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障”提出了迫切需求。　　本書立足于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理，著重介紹了系統(tǒng)控制以及面向工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。主要內(nèi)容包括9章：　　第1章為緒論，介紹風(fēng)力發(fā)電的意義、研究現(xiàn)狀及研究?jī)?nèi)容?！　〉?章至第7章針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)原理和控制技術(shù)展開(kāi)，分別從風(fēng)能轉(zhuǎn)化原理、風(fēng)電機(jī)組特性與系統(tǒng)辨識(shí)、機(jī)組典型模塊與控制系統(tǒng)、機(jī)組最大功率跟蹤及變槳控制、機(jī)組載荷分析及獨(dú)立變槳控制、機(jī)組的仿生智能監(jiān)測(cè)控制這六個(gè)方面進(jìn)行了介紹，其中包括了風(fēng)電的基本原理，也有當(dāng)前最新的一些研究進(jìn)展。　　第8、9章簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)電機(jī)組的控制工程，從整機(jī)部件與控制系統(tǒng)、機(jī)組監(jiān)測(cè)與運(yùn)行維護(hù)兩大方面展開(kāi)，為風(fēng)電工程的實(shí)踐提供了一些參考?！　「戒浟谐隽藘蓚€(gè)關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。　　本書由宋永端主編，李鵬、張凱和劉衛(wèi)參與了編寫工作，并受到國(guó)家973項(xiàng)目（No.2012CB215202）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)金（No.2012JBM014）資助。編寫過(guò)程中借鑒了風(fēng)電領(lǐng)域同行及學(xué)者的大量學(xué)術(shù)研究思想，梁婷婷、李丹勇、范玲玲、王夢(mèng)茹等也給予了幫助，在此一并致謝。　　由于作者水平有限，加之書中很多章節(jié)為探索性討論，錯(cuò)誤及疏漏之處在所難免，請(qǐng)各位專家和廣大讀者不吝指正。　　編者　　2012.5.23

內(nèi)容概要

　　《風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與控制技術(shù)》圍繞風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理及相關(guān)控制問(wèn)題，系統(tǒng)介紹了風(fēng)能轉(zhuǎn)化原理、風(fēng)電機(jī)組特性與系統(tǒng)辨識(shí)、機(jī)組典型模塊與控制系統(tǒng)、機(jī)組最大功率跟蹤及變槳控制、機(jī)組載荷分析及獨(dú)立變槳控制、機(jī)組的仿生智能監(jiān)測(cè)控制，以及風(fēng)電機(jī)組控制工程——整機(jī)部件與控制系統(tǒng)，融匯了系統(tǒng)搭建、算法設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)諸方面內(nèi)容。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 風(fēng)電技術(shù)的研究意義1.1.1 能源現(xiàn)狀概述1.1.2 發(fā)展風(fēng)電的意義1.2 風(fēng)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.2.1 風(fēng)電現(xiàn)狀總覽1.2.2 風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)1.3 風(fēng)電技術(shù)的研究?jī)?nèi)容1.3.1 基本問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容1.3.2 風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)第2章 風(fēng)能轉(zhuǎn)化原理2.1 風(fēng)能特性2.2 風(fēng)能預(yù)測(cè)2.3 葉輪空氣動(dòng)力學(xué)基本原理2.3.1 槳葉受力分析2.3.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程分析2.3.3 動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)2.4 葉輪空氣動(dòng)力學(xué)建模理論2.4.1 葉素-動(dòng)量理論2.4.2 尾流模型2.4.3 穩(wěn)態(tài)失速與動(dòng)態(tài)失速第3章 風(fēng)電機(jī)組特性與系統(tǒng)辨識(shí)3.1 典型風(fēng)電機(jī)組及特性3.1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組3.1.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組3.1.3 雙饋與直驅(qū)的比較3.1.4 半直驅(qū)機(jī)組3.2 前端調(diào)速機(jī)組3.2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)3.2.2 齒輪調(diào)速原理3.3 風(fēng)電機(jī)組辨識(shí)原理3.3.1 辨識(shí)的作用3.3.2 典型的辨識(shí)方法3.4 基于風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的混合辨識(shí)方法3.4.1 辨識(shí)問(wèn)題描述3.4.2 基于ERA的狀態(tài)估計(jì)流程3.4.3 SEI與ERA混合估計(jì)算法3.4.4 數(shù)值算例及分析第4章 機(jī)組典型模塊與控制系統(tǒng)4.1 機(jī)組典型模塊4.1.1 葉輪4.1.2 驅(qū)動(dòng)鏈4.1.3 發(fā)電機(jī)4.1.4 變槳模塊4.2 定槳距風(fēng)機(jī)控制4.2.1 定槳距風(fēng)機(jī)機(jī)組特性4.2.2 定槳距風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)4.3 變槳距風(fēng)機(jī)控制4.3.1 變槳距風(fēng)機(jī)機(jī)組特性4.3.2 變槳距風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)第5章 機(jī)組最大功率跟蹤及變槳控制5.1 基于轉(zhuǎn)矩估計(jì)的非線性MPPT控制5.1.1 最大功率跟蹤方案5.1.2 最大功率跟蹤控制器設(shè)計(jì)5.1.3 最大功率跟蹤曲線搜索5.1.4 最大功率跟蹤方案仿真驗(yàn)證5.2 基于虛擬參數(shù)的PPB控制5.2.1 系統(tǒng)描述與建模5.2.2 面向PPB的誤差轉(zhuǎn)換5.2.3 面向PPB的虛擬參數(shù)控制器5.3 高風(fēng)速區(qū)域的線性化與PI變槳控制5.3.1 各組件非線性建模5.3.2 非線性模型的線性化5.3.3 PI變槳控制器設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證5.4 自適應(yīng)容錯(cuò)變槳控制5.4.1 問(wèn)題描述5.4.2 魯棒容錯(cuò)控制5.4.3 魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制5.4.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制5.4.5 基于自適應(yīng)容錯(cuò)控制的機(jī)組變槳第6章 機(jī)組載荷分析及獨(dú)立變槳控制6.1 風(fēng)電機(jī)組載荷6.1.1 機(jī)組載荷的標(biāo)準(zhǔn)6.1.2 機(jī)組載荷的分類6.1.3 極限載荷與疲勞載荷6.2 基于Bladed的載荷分析6.2.1 Bladed軟件概述6.2.2 Bladed模塊建模6.2.3 Bladed載荷模擬計(jì)算6.3 面向減載控制的獨(dú)立變槳6.3.1 獨(dú)立變槳距機(jī)構(gòu)的建模6.3.2 魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器設(shè)計(jì)6.3.3 改進(jìn)的魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器第7章 機(jī)組的仿生智能監(jiān)測(cè)控制7.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立變槳及最大功率跟蹤7.1.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立變槳控制7.1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率跟蹤7.2 基于記憶的機(jī)組控制方法7.2.1 機(jī)組動(dòng)力學(xué)建模7.2.2 基于記憶的控制器設(shè)計(jì)7.3 基于仿記憶的機(jī)組監(jiān)測(cè)方法7.3.1 風(fēng)機(jī)故障統(tǒng)計(jì)分析7.3.2 故障嚴(yán)重度分類及基本策略7.3.3 故障估計(jì)與仿記憶原理7.3.4 仿記憶監(jiān)測(cè)控制結(jié)構(gòu)第8章 風(fēng)電機(jī)組控制工程——整機(jī)部件與控制系統(tǒng)8.1 風(fēng)電整機(jī)系統(tǒng)部件8.1.1 風(fēng)輪與塔架8.1.2 變槳系統(tǒng)8.1.3 偏航系統(tǒng)8.1.4 齒輪箱8.1.5 傳動(dòng)鏈8.1.6 電控系統(tǒng)8.1.7 測(cè)量信號(hào)傳感器8.1.8 防雷系統(tǒng)8.1.9 液壓?jiǎn)卧?.1.10 保護(hù)配置8.1.11 測(cè)風(fēng)儀及航空標(biāo)志燈8.2 機(jī)組控制系統(tǒng)8.2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成8.2.2 PLC主控制系統(tǒng)8.2.3 傳感器與通信接口8.2.4 控制系統(tǒng)卡件設(shè)計(jì)8.2.5 安全性與設(shè)備環(huán)境第9章 風(fēng)電機(jī)組控制工程——機(jī)組監(jiān)測(cè)與運(yùn)行維護(hù)9.1 風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)9.2 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)9.2.1 基礎(chǔ)與塔架維護(hù)9.2.2 葉片維護(hù)9.2.3 主軸與主齒輪維護(hù)9.2.4 偏航系統(tǒng)維護(hù)9.2.5 變槳系統(tǒng)維護(hù)9.2.6 液壓制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)9.2.7 發(fā)電機(jī)維護(hù)9.2.8 對(duì)腐蝕、磨損、裂紋的檢查及補(bǔ)救9.2.9 人身安全指導(dǎo)附錄：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第一部分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制器 技術(shù)條件（GB/T 19069-2003）第二部分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制器 試驗(yàn)方法（GB/T 19070-2003）參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　6.1.2 機(jī)組載荷的分類 按照載荷的來(lái)源不同，分為以下類型。（1）空氣動(dòng)力載荷：是載荷和功率產(chǎn)生的主要來(lái)源。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其高風(fēng)速條件下，氣動(dòng)阻力是主要考慮因素；葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，升力是主要考慮因素。（2）重力載荷：主要由于機(jī)艙、風(fēng)輪及塔架重力產(chǎn)生的，對(duì)于機(jī)組設(shè)計(jì)和安裝至關(guān)重要的載荷。（3）慣性載荷：主要源自機(jī)組部件運(yùn)動(dòng)尤其是葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，以及葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)偏航所產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力。（4）運(yùn)行載荷：風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的變槳、偏航、剎車、脫網(wǎng)等動(dòng)作引起的機(jī)組結(jié)構(gòu)和部件上的載荷變化。此外，還需考慮葉片質(zhì)量不平衡等因素。對(duì)于海上風(fēng)電，還有波浪載荷、海冰載荷、船舶沖擊載荷等特殊因素。按照載荷的性質(zhì)不同，分為以下類型。（1）靜態(tài)載荷：施加在靜止結(jié)構(gòu)上，不隨時(shí)間變化的負(fù)載。（2）定常載荷：施加在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，不隨時(shí)間變化的負(fù)載，如施加在穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的定常載荷。（3）瞬態(tài)載荷：對(duì)瞬態(tài)外界環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)變載荷，呈現(xiàn)出振蕩并最終衰減，如驅(qū)動(dòng)鏈剎車。（4）脈沖載荷：短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大尖峰值的載荷，如下風(fēng)向葉片塔影效應(yīng)和葉片鉸鏈機(jī)構(gòu)減振器的受力都體現(xiàn)為脈沖載荷。（5）周期載荷：呈周期規(guī)律變化的載荷，主要適用于葉片旋轉(zhuǎn)引起的載荷，且與葉片質(zhì)量、風(fēng)切變、偏航運(yùn)動(dòng)、風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其部件振動(dòng)有關(guān)。其變化周期與葉輪轉(zhuǎn)速變化呈整數(shù)倍關(guān)系。（6）隨機(jī)載荷：具有明顯隨機(jī)特性的時(shí)變負(fù)載，平均值可能相對(duì)穩(wěn)定但振幅較大，如葉片在湍流下的受力。（7）諧振載荷：來(lái)自于風(fēng)機(jī)部件自然頻率動(dòng)態(tài)諧振響應(yīng)的周期負(fù)載，一般是由于非常惡劣的運(yùn)行條件或設(shè)計(jì)不合理引起的風(fēng)機(jī)諧振動(dòng)態(tài)響應(yīng)。6.1.3極限載荷與疲勞載荷 隨著風(fēng)機(jī)容量和規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)的壽命和可靠性日益成為關(guān)注熱點(diǎn)，從這個(gè)角度，風(fēng)機(jī)的載荷又可分為極限載荷和疲勞載荷兩類。下面分別對(duì)這兩類載荷做簡(jiǎn)要敘述。1.疲勞載荷 葉輪只要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生與低速軸和葉片重力相反的力，同時(shí)還存在由湍流、風(fēng)剪切力、軸傾斜、塔影效應(yīng)、偏航誤差等引起的葉輪平面外載荷。因此，疲勞載荷是影響機(jī)組部件的壽命的核心因素。對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)機(jī)組件，其疲勞載荷分析常通過(guò)其疲勞載荷綜合譜來(lái)描述。該綜合譜的建立要基于風(fēng)速變化情況下機(jī)組的獨(dú)立載荷范圍，同時(shí)考慮機(jī)組機(jī)器啟動(dòng)、空轉(zhuǎn)、運(yùn)行、停機(jī)等不同時(shí)段的載荷循環(huán)周期，從而據(jù)此進(jìn)行壽命周期預(yù)測(cè)。

編輯推薦

　　《風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與控制技術(shù)》既講述了風(fēng)電系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，也介紹了風(fēng)電控制工程中的主要運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)，適合從事風(fēng)力發(fā)電、電力系統(tǒng)控制等領(lǐng)域的科研人員及工程師使用。

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