基于单点悬浮的磁悬浮偏航系统控制

发布时间：2020-05-25 16:49

【摘要】：主动偏航系统是大功率水平轴风力发电机中必不可少的组成部分,传统的风机偏航系统都是采用的齿轮驱动,这种结构存在运行维护成本高、故障率高、对风精度差等问题。基于此,本文以水平轴的风力机磁悬浮偏航系统作为研究对象,分析了该系统的结构组成以及具体的工作原理,对风机磁悬浮偏航系统的悬浮过程进行了建模、并进行了控制算法的研究和仿真验证实验,对悬浮控制器进行了设计与研究,搭建了悬浮控制器实验平台并进行了偏航系统的悬浮控制实验,为下一步偏航的研究打下了基础。本文首先对研究的背景和意义进行了简单的介绍,简述了国内外磁悬浮技术与风机偏航系统的研发现状,分析了传统风机偏航装置存在的问题,提出了风机磁悬浮偏航系统。其次,研究了风机磁悬浮偏航系统的结构组成与具体的工作原理,对悬浮过程进行了力学与电学分析,并且分析了偏航磁场对悬浮气隙磁场的影响,对偏航系统的动态悬浮与偏航悬浮两个模态进行了建模,最后又对这两个模型进行了整合得到了整个悬浮过程的数学模型。再次,分析了一些可用于悬浮控制的理论,提出了基于传统PID用气隙电流的双反馈方法来设计了控制器。对非线性的悬浮模型进行了反馈线性化处理得到了线性模型,用基于双反馈PID方法对悬浮控制器进行了具体设计。基于线性化的模型在Matlab中建立了仿真实验平台,在该平台上对搭建的控制器进行了仿真实验,并对实验结果进行了分析。最后,对基于BUCK电路的悬浮控制器进行了软硬件设计,搭建了硬件电路实验平台,并进行了实验研究。硬件设计包括一次回路的设计与器件选型,二次回路的设计与器件选型;软件设计包括系统主程序流程、各中断服务子程序流程的设计,以及悬浮高度的轨线引导、系统软启动控制。在平台搭建完成后,进行了气隙跟踪与抗扰动性实验。实验结果表明基于传统PID用气隙电流的双反馈方法设计的控制器具有响应速度快、跟踪性能好、抗扰性能强,能实现系统在设定高度的稳定悬浮,实验达到了预期的目标。
【图文】：

今阻碍人类社会发展的三座大山。近年来在应对气候变化和能源危机等方面新能源发挥的作用得到了世界各国的广泛认可，新能源发电已逐渐成为了全球电源建设的一个大趋势。风能作一种洁净的取之不尽用之不竭的新能源，分部广泛，据权威机构统计世界上约有 3500 亿 kW.h 的风能可被利用，是水能的 10 倍[1]，近年来已受到了世界各国的重视和开发。风能的开发利用有着巨大的社会、经济、环保效益和发展前景，风能最常见的利用形式为风力发电。近年来风力发电技术已有了巨大的进步，经济性也不断提高，风能已成为各种新能源开发利用中发展速度最快的，风力发电已基本完成了从补充能源向替代能源的角色过度[2]，已成为最具发展潜力的新能源发电方式。为了更好适应风力发电的发展，目前已研制出两种经典的风力发电机如图 1-1与图1-2所示，一种是转轴平行于塔架的垂直轴发电机，这种发电机装机的成本低，不需要实时对风，维护和检修方便，塔架设计简单，机组的使用寿命长，但是存在难以自启动和系统总体效率低、不能应用于大功率兆瓦级风力发电机等致命性缺点；另一种是转轴与塔架垂直的水平轴发电机，这种风机的效率高，广泛应用大型兆瓦级风力发电机。这种风机需要实时精准对风以提高风力发电机的效率，这就需要在机舱中增加偏航装置以实现实时精准对风，但是这大大增加了水平轴发电机结构的复杂性。

[2]，已成为最具发展潜力的新能源发电方式。为了更好适应风力发电的发展，目前已研制出两种经典的风力发电机如图 1-1与图1-2所示，，一种是转轴平行于塔架的垂直轴发电机，这种发电机装机的成本低，不需要实时对风，维护和检修方便，塔架设计简单，机组的使用寿命长，但是存在难以自启动和系统总体效率低、不能应用于大功率兆瓦级风力发电机等致命性缺点；另一种是转轴与塔架垂直的水平轴发电机，这种风机的效率高，广泛应用大型兆瓦级风力发电机。这种风机需要实时精准对风以提高风力发电机的效率，这就需要在机舱中增加偏航装置以实现实时精准对风，但是这大大增加了水平轴发电机结构的复杂性。图 1-1 垂直轴风力机 图 1-2 水平轴风力机
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315

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本文编号：2680448