畢業(yè)論文-直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)設計

1、<p>　　直驅式永磁風力發(fā)電控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　風力發(fā)電作為綠色能源在全世界迅速發(fā)展，這是解決世界能源危機的重要途徑，在這個背景下本文對直驅式永磁風力發(fā)電控制系統(tǒng)進行了應用設計。</p><p>　　本文以風力發(fā)電的工作原理等基礎理論為基本理論，得到一種控制風能的利用效率的變槳

2、控制的基本控制策略；通過比較當前流行的幾個風力發(fā)電機組的結構和不同控制方案之間的不同特點；分析了直驅式永磁風力發(fā)電的性能和特點，最終得出本機組需要采用以“同步高速、無刷勵磁旋轉、全功率的逆變’’為核心的技術路線。</p><p>　　本論文最后完成了風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的設計，以控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能為基礎，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，分析了系統(tǒng)輸出和輸入的信號，簡單闡述了組成控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的可編程處理器和最主要的控制

3、信號變送器，確定了傳感器的類型以及各硬件的配置；以這些為基礎討論了一些控制系統(tǒng)的控制策略，研究設計了主程序的流程圖，變槳距控制圖，并詳細的研究了變槳距的控制過程，得出了控制原理和結構組成。</p><p>　　關鍵詞：風力發(fā)電機；控制系統(tǒng)；變槳控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Wind power

4、as the rapid development of green energy in the world, it is important to solve the world energy crisis means, in this context of this paper, direct-drive permanent magnet wind power control system for the application de

5、sign.</p><p>　　In this paper, wind power and other basic working principle of the theory of the basic theory, a control variable wind energy utilization efficiency of the basic control strategy for pitch con

6、trol. A couple of current by comparing the wind turbine structure and the difference between the different characteristics of the control program; Analysis of direct-drive permanent magnet wind power generation performan

7、ce and features, and ultimately come to the unit needs to adopt a "synchronous high-spee</p><p>　　Finally completed the wind turbine control system to control system functions to be achieved, based on t

8、he control system according to the requirements of the system output and input signal composed of a simple control system described in the programmable hardware system The main control signal processor and transmitter, t

9、o determine the type of sensors as well as the hardware configuration; Based on these discussions a number of control system control strategy, research and design of the main p</p><p>　　KEY WORDS：wind turbin

10、e；control system；pitch control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1．1引言1</b></p><p>　　1．2風力發(fā)電在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1<

11、/p><p>　　1.3 風力發(fā)電原理5</p><p>　　1.4 風力發(fā)電機結構6</p><p>　　1.5 選題依據(jù)和意義6</p><p>　　第二章 風力機的相關理論及本系統(tǒng)的結構9</p><p>　　2．1風電機組的工作原理9</p><p>　　2．2風力發(fā)電機組的分類

12、10</p><p>　　2.2.1 水平軸風力發(fā)電機10</p><p>　　2.2.2垂直軸風力發(fā)電機10</p><p>　　2.3并網(wǎng)型風力發(fā)電機組11</p><p>　　2.3.1雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)11</p><p>　　2.3.2直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)12</p><p>　

13、　2.3.3三相同步發(fā)電系統(tǒng)13</p><p>　　第三章 直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)14</p><p><b>　　3.1概述14</b></p><p>　　3.2變槳距系統(tǒng)控制14</p><p>　　第四章 風電機組控制系統(tǒng)的設計17</p><p>　　4．1風力發(fā)電機電動

14、變槳控制系統(tǒng)硬件結構17</p><p>　　4．2 變槳系統(tǒng)的控制策略18</p><p>　　4．3控制系統(tǒng)的軟件設計18</p><p>　　4.3.1變槳控制系統(tǒng)軟件設計19</p><p>　　4.3.2 偏航控制系統(tǒng)軟件設計21</p><p>　　4.3.3故障報警和聯(lián)鎖保護22</p

15、><p>　　第五章 總結與展望23</p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　[參考文獻]25</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1．1引言</b&g

16、t;</p><p>　　發(fā)展可再生能源已經(jīng)是大勢所趨。主要發(fā)達國家、發(fā)展中國家，都已經(jīng)將發(fā)展風能、太陽能等一些可以再生的能源作為對新世紀氣候變化和能源雙重的挑戰(zhàn)的一個重要手段。但是除了水能之外的其他可再生能園之中，風能毫無疑問是世界上所公認的最最接近商業(yè)化的技術之一————和其他可再生能源相比，風能的經(jīng)濟性最明顯，而且產(chǎn)業(yè)化的基礎最好，也不存在生物能的資源約束問題，另外也沒有其他大的環(huán)境影響，在可預見的時間

17、內(nèi)（2030—2050年），都將是最有可能大規(guī)模發(fā)展的能源資源之一[18]。</p><p>　　1．2風力發(fā)電在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 </p><p>　　風是一種潛力很大的新能源，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂 暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力(

18、即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發(fā)電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風力來發(fā)電，開發(fā)新能源。 </p><p>　　在過去的5年間，風電發(fā)展不斷超越其預期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長最快能源的地位。2005年以來，全球風電累計裝機容量年平均增

19、長率為27.3%，新增裝機容量年平均增長率為36.1。根據(jù)丹麥BTM咨詢公司報告，2009年全球有超過3810.3萬kW的新增裝機容量并入電網(wǎng)，營業(yè)總額達到500億歐元。截至2009年底，全世界風電累積裝機總容量約為1.6億kW，同比上年增長31%.目前，風電的年發(fā)電量約3400億kWh，風力發(fā)電量已經(jīng)占到世界總發(fā)電量的2% 以上。</p><p>　　在累計裝機容量上，歐洲仍然是風力發(fā)電市場的領導者，截至200

20、9年底，其累積裝機總容量為7655.3萬kW，占全世界風電總裝機的47.9%，提前超額完成了到2010年風電裝機容量達到4000萬kW的目標。但是，在2009年新增裝機容量方面，歐洲只占28.2%，北美洲達到39.3%，亞洲達到30%0，歐洲已經(jīng)失去其領先的地位了，中國和美國成了推動全球風電產(chǎn)業(yè)的火車頭。目前，德國、西班牙和意大利三國的風電機組的裝機容量約占到歐洲總量的65。近年來，在歐洲大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹

21、麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發(fā)展風電的主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有82個國家在積極開發(fā)和應用風能資源。未來的20年之內(nèi)什么將會是世界上發(fā)展速度最快的能源呢，毫無疑問一定是風電。</p><p>　　目前近海風電場的開發(fā)主要在歐洲的丹麥、英國、荷蘭、瑞典、愛爾蘭、德國等國家。到2009年底，已有834臺共211萬kW的風電機組在海上風電場投入運行，約占全球累計風電裝機

22、容量的1.3%. 2009年新增海上風電場9個，新增海上裝機容量68.9萬kW，新增海上風電機組224臺，最小單機功率為2MW，最大裝機功率5MW。其中：英國新建3個海上風電場（30.6萬kW)、丹麥一個(20.7萬kW)德國一個(6萬kW)。</p><p>　　1979年上半年，美國在北卡羅來納州的藍嶺山，又建成了一座世界上最大的發(fā)電用的風車。這個風車有十層樓高，風車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個塔型建筑

23、物上，因此風車可自由轉動并從任何一個方向獲得電力；風力時速在38公里以上時，發(fā)電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區(qū)的平均風力時速只有29公里，因此風車不能全部運動。據(jù)估計，即使全年只有一半時間運轉，它就能夠滿足北卡羅來納州七個縣1%到2%的用電需要。</p><p>　　今年一季度，我國風力發(fā)電量達到188億千瓦時，增長60.4%。這一數(shù)據(jù)表明，風電發(fā)展依然延續(xù)著“十一五”時期高速發(fā)展的態(tài)勢。經(jīng)過30多年、

24、尤其是“十一五”的快速發(fā)展，我國風電取得了輝煌成就，目前，我國已成為世界第一風電大國。</p><p>　　我國風電高速發(fā)展背后有著怎樣的原因？目前風電發(fā)展面臨哪些制約因素？“十二五”時期風電產(chǎn)業(yè)應如何轉變發(fā)展方式，促進我國實現(xiàn)從“風電大國”向“風電強國”的轉變？記者就這些問題采訪了國家能源局有關負責人和風電企業(yè)代表。</p><p>　　國家能源局數(shù)據(jù)顯示，今年一季度，我國風力發(fā)電量達到

25、188億千瓦時，增長60.4%，增速居各大能源發(fā)電之首。</p><p>　　“風電投產(chǎn)容量和電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度是一季度風力發(fā)電迅速增長的兩大主要因素。”國家能源局可再生能源司副司長史立山分析。此外，北方供熱期基本結束，保證熱電聯(lián)產(chǎn)和居民用熱的那部分電網(wǎng)調(diào)度被釋放出來，也為風電調(diào)度騰出了空間。</p><p>　　一季度風電發(fā)展與“十一五”風電高速發(fā)展趨勢不謀而合?！笆晃濉逼陂g我國風電裝機容

26、量連續(xù)5年實現(xiàn)翻番，成為世界第一的風電大國。截至2010年底，我國風電總裝機容量已經(jīng)超過4000萬千瓦，已居世界第一位。</p><p>　　“中國政府出臺的一系列鼓勵政策對風電發(fā)展起到了決定性推動作用?！鄙袢A國華能源投資公司董事長解建寧指出，“十一五”時期，我國陸續(xù)出臺了《可再生能源法》及《關于風電建設管理有關要求的通知》、《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等一系列配套政策和實施細則，這些政策為風電長遠發(fā)展提供了法律

27、保障。去年，我國用于可再生能源發(fā)電的補貼高達120億元，這為風電發(fā)展打下了堅實基礎。</p><p>　　華能新能源股份有限公司執(zhí)行董事兼副總經(jīng)理何焱指出，在巨大市場需求的推動下，我國風電裝備制造業(yè)已經(jīng)成為具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，部分風電機組制造企業(yè)進入全球前十強，國內(nèi)制造商已經(jīng)占據(jù)中國市場份額的85%以上，龍源、大唐新能源及華能新能源等三家風力發(fā)電運營商位列全球前十。</p><p&g

28、t;　　與此同時，我國風電裝備制造企業(yè)的技術創(chuàng)新能力也在不斷增強，初步實現(xiàn)了大功率風電機組技術從引進消化、聯(lián)合設計到自主設計的轉化。我國企業(yè)在機組適應我國特殊環(huán)境和風況條件方面進行的大量創(chuàng)新，以及我國企業(yè)自主設計和開發(fā)的多兆瓦級風電機組下線和運行，都充分證明了我國的風電技術已達到國際先進水平。</p><p>　　據(jù)國家能源局測算,到2015年,我國風電裝機將達到1億千瓦,年發(fā)電量超過2千億度,節(jié)約標煤約8000

29、萬噸左右,在整個能源中所占的比重將由2010年的0.5%增加到2%左右。</p><p>　　快速增長之后,行業(yè)和政府都已意識到,風電發(fā)展將進入轉型和理性發(fā)展時期,在政策層面將不再一味發(fā)展大型風電基地,分散式開發(fā)和海上風電將成為下一步熱點。</p><p>　　“為促進風電規(guī)模化發(fā)展,過去提倡建立大基地融入大電網(wǎng),但當前更希望在此基礎上,支援資源不太豐富的地區(qū),發(fā)展低風速風電場,倡導分散式

30、開發(fā)”,史立山表示,分散式開發(fā)將是未來風電發(fā)展的一個方向。他表示,這并不意味著就放棄原來的大基地路線,而是“兩條腿走路”,讓企業(yè)不要只關注大基地建設而是將眼光放在全國,如云南、安徽、湖北、湖南、江西、山東、山西等。</p><p>　　他指出,過去風電投資過于集中在內(nèi)蒙古和東北等地,在投資熱潮中地方政府急功近利,對產(chǎn)業(yè)布局和技術進步造成不利影響,必須要保持合理的發(fā)展速度保留技術成熟的空間。未來行業(yè)發(fā)展也會更加朝科

31、學精細化發(fā)展,注重提高質(zhì)量和效率,海上風電也將是發(fā)展重點。</p><p>　　中國利用風能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風能最早的國家之一。中國第一座風力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成，</p><p>　　山東省近些年來經(jīng)濟一直走在全國的前列。但伴隨著這一成績而來的，是山東成了全國的用電大省。作為半

32、島的制造業(yè)基地，煙臺更是用電大市?？可匠陨?，靠水吃水。占盡“山水”優(yōu)勢的煙臺人，在破解供電緊張的難題時，沒有忘記自己的另外一個優(yōu)勢：風。站在“風口”的煙臺人，自然抓住了這一有利時機。于是人們的目光開始投向風電。</p><p>　　煙臺位于山東半島東部，海岸線長、海島多、高山丘陵多，風力資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ昶骄L速在3.0——4.0米/秒之間，有效風能密度為178 瓦/平方米，有效風速為3810小時，總體屬

33、于風能比較豐富的地區(qū)，達到國家三類風場標準。特別是位于遼東半島和膠東半島峽口地帶、作為全國三大風場之一的長島，正處于渤海海峽風道上，其指標要遠遠高于這個平均數(shù)字。據(jù)測定，年平均風速6.86米/秒，有效風速（3——25米/秒）達8279個小時,平均有效風功率密度為每平方米325瓦。1998年，煙臺第一臺風力發(fā)電設備在長島建起，次年9月正式并網(wǎng)發(fā)電。該項目填補了山東省電力行業(yè)綠色能源的空白，成為全省第一個商業(yè)化運行的風電場。如今，華能長島中

34、電公司、長島聯(lián)凱風力發(fā)電公司逐年圍繞風力發(fā)電科技創(chuàng)新， 發(fā)展最大、最具可持續(xù)發(fā)展能力的生態(tài)工業(yè)項目。除此之外，萊州、蓬萊、龍口、海陽、棲霞等區(qū)市年平均風能密度也在150——200 瓦/平方米之間，完全可用于并網(wǎng)型發(fā)電。 在中國，風能發(fā)電是非常有前景的行業(yè)，這現(xiàn)在是一個很熱門的話題。中國的《可再生能源法》規(guī)定了電力企業(yè)中可再生能源應該占一定比重。去年，我們在沈陽的風</p><p>　　我國能源結構及能源

35、可持續(xù)發(fā)展必須滿足國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。為此,大力發(fā)展風電和快速提高風電設備制造技術水平是我國能源建設的當務之急。</p><p>　　圖1.1中國風能專業(yè)委員會 2010年統(tǒng)計</p><p>　　1.3 風力發(fā)電原理</p><p>　　風能資源豐富區(qū)：包括新疆克拉瑪依、甘肅敦煌、浙江舟山、福建平潭等地區(qū)，風能功率密度在200～300瓦/米2以上，有的可達5

36、00瓦/米2以上。風能資源較豐富區(qū)：包括青藏高原的班戈地區(qū)、唐古拉山，西北的奇臺、塔城，華北北部和東北一些地區(qū)（即通常所說的“三北”豐富帶），以及沿海的煙臺、萊州灣一帶。內(nèi)陸個別地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風能豐富點，如鄱陽湖附近地區(qū)和湖北的九宮山、利川等地區(qū)。</p><p>　　目前，全球都面臨著能源挑戰(zhàn)，氣候變化，日益增長的能源需求，能源安全問題得到廣泛關注。</p><p&

37、gt;　　風力發(fā)電的原理：是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。</p><p>　　1.4 風力發(fā)電機結構</p><p>　　風力發(fā)電機由機艙、塔架和葉輪組成。風的作用使葉輪旋轉，而葉輪轉動帶動發(fā)電機，最后發(fā)電機產(chǎn)生電</p><p>　　控制器：風機的控制裝置就是一臺計算機，它能檢查各個部件的工作狀態(tài)，如果某個部件停止了工

38、作，控制器就通過計算機向中央監(jiān)控室報告故障。</p><p>　　電纜：機艙內(nèi)發(fā)電機產(chǎn)生的電流通過電纜線進入控制柜?！　?lt;/p><p>　　梯子：所有塔架內(nèi)都有一個梯子，使你能夠爬到機艙上，梯子接近塔壁，以便于在你爬下或者爬上梯子時可以用后背緊靠塔壁，以保證安全。 </p><p>　　燈：塔架沒有朝外的窗戶，因此塔架內(nèi)的照明很重要?！?</p>&

39、lt;p>　　法蘭：法蘭上的螺栓保證塔架上的各個部分緊密相連。</p><p>　　平臺：塔架內(nèi)有2個或者3個的平臺供維護人員休息。 </p><p>　　葉輪：葉輪被固定在大的主軸上，大的葉輪有三個吸收風能的葉片，風速足夠大的時候就會驅動葉輪旋轉。</p><p>　　主軸：主軸與齒輪箱連接，葉輪用很大的力使得主軸轉動，因此軸必須足夠粗！　 </p&g

40、t;<p>　　偏航軸承：巨大的齒輪環(huán)被安裝再機艙下部、塔架內(nèi)，齒輪環(huán)與偏航電機的齒相嚙合，這樣使得機艙偏航對風。</p><p>　　偏航電機：偏航電機將機艙轉動以便使葉輪準確對風！</p><p>　　齒輪箱：大型風機葉輪的旋轉速度再每分鐘27轉左右，而發(fā)電機的轉速要在每分鐘1500轉左右，因此就需要齒輪箱將27轉變?yōu)?500轉。</p><p>

41、　　機械剎車：當風機需要被維修或者例行維護時，機械剎車將葉輪鎖定，使其停止轉動。</p><p>　　高速軸：高速軸將來自齒輪箱的能量傳遞到發(fā)電機，此時高速軸的轉速達到每分鐘1500轉</p><p>　　發(fā)電機：發(fā)電機達到轉速后開始產(chǎn)生電流，電流通過粗的電纜被送到塔架下面的控制柜。</p><p>　　散熱器：發(fā)電機高速轉動時產(chǎn)生熱量，如果溫度過高發(fā)電機就會損壞，

42、這就是為什么電機需要冷卻。在一些風機上采用水冷方式，而散熱器再將水冷卻</p><p>　　風速儀：風速儀用來測量風的速度，它將風速信息傳到控制器中。</p><p>　　風向標：風向標隨風向擺動，他告訴控制系統(tǒng)風的方向，計算機啟動偏航電機偏航使葉輪對風。</p><p>　　控制器：風機控制柜是一臺能控制風機各個部件的計算機，計算機使機艙偏航對風，當風速儀所測風速

43、達到某一定值時，計算機發(fā)出命令釋放剎車，使葉輪轉動。</p><p>　　1.5 選題依據(jù)和意義</p><p>　　風電產(chǎn)業(yè)要全面健康可持續(xù)發(fā)展，需要解決的問題很多，但依靠科技進步來推動風電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實課題。</p><p>　　風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，隨著商業(yè)化程度和市場競爭力的不斷提高，作為風能主要利用形式的風力發(fā)電已經(jīng)成為當今世界

44、最主要的可再生能源技術之一。目前，風電在全球100多個國家和地區(qū)都有應用，在電力供應中占有很高的比例，例如丹麥的風電已超過整個電力供應的20%，西班牙達到了14.3%。未來各國風電發(fā)展目標更加宏偉，丹麥計劃2025年風電占到整個電力的50%，美國提出了2030年風電占整個電力的20%目標，歐盟2020年20%可再生能源電力的目標中將有一半來自風電。</p><p>　　我國幅員遼闊、海岸線長，風能資源非常豐富。中

45、國氣象局最新調(diào)查結果顯示，我國海陸50米高度處風能潛在可開發(fā)量約為25.8億千瓦，開發(fā)潛力巨大。經(jīng)過30多年、尤其是“十一五”這5年的快速發(fā)展，我國風電取得了輝煌成就。</p><p>　　據(jù)初步統(tǒng)計，2010年我國風電新增裝機超過1600萬千瓦，累計超過4000萬千瓦，“雙居”世界第一。在巨大市場需求的推動下，我國風電裝備制造業(yè)已經(jīng)成為具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，部分風電機組制造企業(yè)進入全球前十強，國內(nèi)制造商

46、已經(jīng)占據(jù)中國市場份額的85%以上，并開始出口海外。我國風電裝備制造企業(yè)的技術創(chuàng)新能力也不斷增強，初步實現(xiàn)了大功率風電機組技術從引進消化、聯(lián)合設計到自主設計的轉化。我國企業(yè)在機組適應我國特殊環(huán)境和風況條件方面進行的大量創(chuàng)新，以及我國企業(yè)自主設計和開發(fā)的多兆瓦級風電機組下線和運行，都充分證明我國的風電技術已達到國際先進水平。市場規(guī)模的迅速擴大和技術創(chuàng)新能力的快速提升也促進了我國風電產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展，一個集原材料、零部件、整機和服務業(yè)的完整產(chǎn)業(yè)

47、體系已初具輪廓。</p><p>　　我國已形成了以《可再生能源法》為核心的風電政策體系，電價更加合理、發(fā)展目標更加清晰、發(fā)電企業(yè)與電網(wǎng)的責任更加明確，為風電發(fā)展提供了非常有利的政策環(huán)境。已經(jīng)取得的成績證明，資源、產(chǎn)業(yè)以及政策完全可以支撐風電在我國節(jié)能減排中擔當重任。更長遠地看，這些有利條件還可能支撐風電逐步邁向我國主流電源行列。</p><p>　　不過，我們也應看到，風電在我國電源結構

48、中的比重仍不到1%，很多人仍然沒有意識到風電在未來以“科學、綠色、低碳”為特征的新型能源體系中的重要作用，并網(wǎng)和應用依然是近期風電發(fā)展的最主要障礙。站在目前4000萬千瓦裝機的新起點上展望未來的風電藍圖，壯志滿懷之余，各方還應合力解決以下五個問題，才能在新的征程上實現(xiàn)我國風電產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展。</p><p>　　第一，發(fā)展和應用清潔能源是每個人的社會責任，要通過普及宣傳，讓全社會都認識到，加強包括風電在內(nèi)的可再

49、生能源開發(fā)利用，是應對日益嚴重的能源和環(huán)境問題的必由之路，是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，從而為風電發(fā)展營造良好的輿論氛圍。</p><p>　　第二，歐洲的經(jīng)驗表明，風電并網(wǎng)和應用的主要障礙是觀念和利益協(xié)調(diào)問題，要通過政策完善和體制機制創(chuàng)新，理順利益結構，協(xié)調(diào)風電與其他行業(yè)的發(fā)展關系，破解風電并網(wǎng)瓶頸。</p><p>　　第三，創(chuàng)新是企業(yè)、行業(yè)乃至國家競爭力的源泉，要珍惜巨大風電市

50、場帶來的機遇，通過加大科研投入、建立國家公共技術研發(fā)和測試平臺、加快人才隊伍建設等措施不斷完善技術創(chuàng)新體系，推動我國向風電技術強國邁進。</p><p>　　第四，加強風電設備質(zhì)量控制，避免以犧牲質(zhì)量為代價的低價惡性競爭。同時，應進一步完善風電標準體系，并通過檢測認證等第三方評價制度，貫徹落實標準的執(zhí)行，進一步提升風電設備品質(zhì)。</p><p>　　第五，加強國際交流與合作，創(chuàng)造有利于風電

51、發(fā)展的國際政策和貿(mào)易環(huán)境，促進國際資源整合，杜絕任何形式的貿(mào)易保護主義，爭取使風電技術早日成為無國界的“綠色”技術，讓風能為全人類謀福祉。</p><p>　　第二章 風力機的相關理論及本系統(tǒng)的結構</p><p>　　上一章中，世界各國對于能源的要求伴隨著經(jīng)濟的進步，工業(yè)的發(fā)展在進一步的擴大中，就目前而言，風電行業(yè)迅猛發(fā)展，對風電技術的研究具有很重要的意義。本文的主要目的是針對直驅式的風

52、電機的控制系統(tǒng)方案的設計作一些工作。因此首先要了解風力發(fā)電機的結構特點和風力機的工作原理。所以本章討論了以下幾個問題：</p><p>　　1．風力機的工作原理。</p><p>　　2．風電機的分類和幾種主流的種類特性</p><p><b>　　3．并網(wǎng)型風電機組</b></p><p>　　2．1風電機組的工作原理

53、</p><p>　　風力發(fā)電機由機艙、塔架和葉輪組成。風的作用使葉輪旋轉，而葉輪轉動帶動發(fā)電機，最后發(fā)電機產(chǎn)生電 </p><p>　　風力發(fā)電機工作原理簡單的說是：風的動能（即空氣的動能）轉化成發(fā)電機轉子的動能，轉子的動能又轉化成電能。</p><p>　　根據(jù)德國風能會的估計，風能發(fā)電的年增長率將保持高增長率，在2012年或者值錢全球風力發(fā)電裝機容量可能達到1

54、50千兆瓦。</p><p>　　現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學原理，就像飛機的機翼一樣。風并非推動風輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風輪旋轉并不斷橫切風流。</p><p>　　風力發(fā)電機的風輪并不能提取風的所有功率。分局Betz定律，理論上風電機能夠提取的最大功率，是風的功率的59.6%，大多數(shù)風電機只能提取風的功率的40%或者更少。</p>

55、<p>　　風力發(fā)電機主要包含三部分：風輪，機艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風力發(fā)電機的最常見的結構是橫軸式三葉片風輪，并安裝在直立管塔桿上。</p><p>　　風輪葉片由復合材料制造。不想小型風力發(fā)電機，大型的風電機的風輪轉動相當慢。比較簡單的風力發(fā)電機是采用固定速度的，通常采用2個不同的速度-再弱風下用低速和再強風下用高速。這些定速風電機的感應式異步發(fā)電機能夠直接產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。</p&

56、gt;<p>　　機艙上安裝的感測器探測風向，透過轉向機械裝置令機艙和風輪自動的轉向，面向來風。</p><p>　　風輪的旋轉運動通過齒輪變速箱傳送到機艙內(nèi)的發(fā)電機。在風電工業(yè)中，配有變速箱的風電機是很普遍的。不過，為了風電機而設計的多級直接驅動式發(fā)電機也有顯著的發(fā)展。</p><p>　　設于塔底的變壓器可以提升發(fā)電機的電壓到配電網(wǎng)電壓。</p><p

57、>　　所有風電機的功率輸出的方法是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風電機，超過額定風速的強風會導致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令風輪失速。當風力過強時，葉片尾部制動裝置會動作令風輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風電機每篇葉片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度隨著風速不同而轉變，從而改變風輪的空氣動力性能。當風力過強時，葉片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而令風輪剎車。</p><p>　　葉片中嵌入了避雷條，遭到雷擊時，可以將閃

58、電中的電流引導導地下去。[20]</p><p>　　2．2風力發(fā)電機組的分類</p><p>　　雖然風力發(fā)電機有很多種類，但是總的歸納起來也就兩鐘一種是水平軸的風電機，他的風輪旋轉軸和風向是平行的，第二種就是垂直軸的風電機了，他的風輪旋轉軸正好跟水平風電機的相反，是跟氣流方向或者地面垂直的。 </p><p>　　2.2.1 水平軸風力發(fā)電機</p>

59、<p>　　水平軸的風電機又可以分成阻力型和升力型兩鐘。阻力型的風電機旋轉的速度比較慢。，而升力型的風電機的旋轉速度比較快，對于風力發(fā)電來說，大多都會使用升力型的水平軸風電機。大多數(shù)水平軸風力發(fā)電機具有對風裝置，能隨風向改變而轉動。對于小型風力發(fā)電機，這種對風裝置采用尾舵，而對于大型的風力發(fā)電機，則利用風向傳感元件以及伺服電機組成的傳動機構。 </p><p>　　風力機的風輪在塔架前面的稱為上風向

60、風力機，風輪在塔架后面的則成為下風向風機。水平軸風力發(fā)電機的式樣很多，有的具有反轉葉片的風輪，有的再一個塔架上安裝多個風輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平軸風力發(fā)電機在風輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。 </p><p>　　圖2.1 風力發(fā)電裝置結構簡圖</p><p>　　2.2.2垂直軸風力發(fā)電機</p><p>　　垂直軸風力發(fā)

61、電機在風向改變的時候無需對風，在這點上相對于水平軸風力發(fā)電機是一大優(yōu)勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。 </p><p>　　利用阻力旋轉的垂直軸風力發(fā)電機有幾種類型，其中有利用平板和被子做成的風輪，這是一種純阻力裝置；S型風車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩，但尖速比低，在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。</p><p&

62、gt;　　2.3并網(wǎng)型風力發(fā)電機組</p><p>　　風能是一種新型能源，他具有爆發(fā)性、隨機性、不穩(wěn)定性特征、能量密度低等特點。風力機轉速的變化是由于風速的變化引起的，一旦缺少必要的電氣或機械方面的控制，那么由風力機來進行驅動的交流發(fā)電機的轉速N也會跟著改變，所以發(fā)電機的頻率和輸出的電壓都不會是恒定不變的的。風力發(fā)電，簡單地說就是把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能。風力發(fā)電機組是風力發(fā)電得以實現(xiàn)所需要

63、的裝置。當20世紀 80年代興起了一種并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術，他是一項新型的能源技術，從他一開始出現(xiàn)就受到了全世界各國的超高度的重視，所以他迅速的實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，尤其特別的是隨著控制技術、計算機、電子電力技術的迅猛發(fā)展，風力發(fā)電的技術也隨之非常迅速的發(fā)展。他的控制方式從一開始單一的定槳距失速控制方式向全槳葉變距變速控制轉變，乃至于向智能型的控制方向發(fā)展。</p><p>　　風力發(fā)電機組的控制技術經(jīng)歷了從風

64、力發(fā)電機組的定槳距恒速運行轉變到基于變槳距技術的變速運行，可以說基本實現(xiàn)了他的最終目標：從僅僅只能夠向電網(wǎng)提供電力到非常理想地向電網(wǎng)提供電力。以下給出了當今幾種并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖[3]，并對它們的優(yōu)缺點進行了簡單的概述。</p><p>　　2.3.1雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　雙饋式發(fā)電機是變速運行風電系統(tǒng)的一種，雙饋異步發(fā)電機的變速運行是建立再交流勵磁變速恒頻發(fā)電技術基

65、礎上的。雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)2.2所示，發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，就是直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉子輸出的功率。雙饋機的定子和電網(wǎng)連接在一起，轉子則是由2個變頻器和電網(wǎng)連接，發(fā)電機組可以再比較大的速度范圍之內(nèi)發(fā)電，機組和電網(wǎng)2者之間實現(xiàn)了能量的雙向傳輸，這種系統(tǒng)中的發(fā)電機不但可以亞同步運行，即轉子旋轉的磁場方向和機械旋轉的方向一樣，n為+，電網(wǎng)向轉子輸出功率通過變頻器實現(xiàn)。也可以超同步運行即轉子旋轉的磁場方向和機械旋轉方向

66、相反，n為-，當發(fā)電機在超同步速度的時候，發(fā)電機的轉子和定子一起向電網(wǎng)輸出能量。[25]</p><p>　　雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)是目前世界風力發(fā)電的研究熱點之一，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)是一種非常合適的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這個發(fā)電系統(tǒng)通過在雙饋電機的轉子一側施加可以變化的三相交流電進行勵磁，來調(diào)節(jié)勵磁電壓的幅值、相位和頻率，使得定子側輸出恒頻恒壓。相對于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)[23]，其性能的優(yōu)勢體現(xiàn)在 ：可以追蹤最大風能，提高

67、風能的利用率；降低了輸出功率的波動和機組的機械應力；提高電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力以及穩(wěn)定性；在轉子側控制功率因數(shù)，可以提高電能質(zhì)量；還能實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制等等，但是他的主要缺點是控制方式太過復雜，機組的價格相對比較昂貴。</p><p>　　研究雙饋電機的并網(wǎng)控制策略并建立風電模擬系統(tǒng)進行試驗研究對于提高電能質(zhì)量，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性具有非常重要的意義隨著電力電子技術的發(fā)展，雙饋型感應發(fā)電機（Double-Fed

68、Induction Generator）在風能發(fā)電中的應用越來越廣。這種技術不過分依賴于蓄電池的容量，而是從勵磁系統(tǒng)入手，對勵磁電流加以適當?shù)目刂?，從而達到輸出一個恒頻電能的目的。雙饋感應發(fā)電機在結構上類似于異步發(fā)電機，但在勵磁上雙饋發(fā)電機采用交流勵磁。我們知道一個脈振磁勢可以分解為兩個方向相反的旋轉磁勢，而三相繞組的適當安排可以使其中一個磁勢的效果消去，這樣一來就得到一個在空間旋轉的磁勢，這就相當于同步發(fā)電機中帶有直流勵磁的轉子。雙饋

69、發(fā)電機的優(yōu)勢就在于，交流勵磁的頻率是可調(diào)的，這就是說旋轉勵磁磁動勢的頻率可調(diào)。這樣當原動機的轉速不定時，適當調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電能的目的。由于電力電子元器件的容量越來越大，所以雙饋發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力也越來越強，這使得雙饋機的單機容量得以提高。雖然，部分理論還在完善當中，但是雙饋反應發(fā)電機的廣泛應用這一趨勢將越來越明顯。 </p><p>　　圖2.2 雙饋式風力發(fā)電機的結構圖</

70、p><p>　　2.3.2直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機和風力機轉子直接耦合，因此發(fā)電機的輸出端的電壓和頻率隨著風速的變化而變化。在直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)中，在交流發(fā)電機和風力機之間不用安裝升速齒輪箱，是因為使用了直接驅動技術，所以降低了由齒輪箱引起的噪聲污染并且減少了維修的周期。保證發(fā)電機組的電壓幅值、相位、頻率和電網(wǎng)一致，可以實現(xiàn)風力機組并網(wǎng)。在該發(fā)電機組

71、系統(tǒng)中這種電機的轉子外園和定子內(nèi)徑的尺寸大大的增加，但是他軸向長度卻相對較短是為了可以簡化系統(tǒng)的控制結構，降低發(fā)電機的質(zhì)量和體積，使用永磁電機可以具有最大的優(yōu)勢，因為他的低速交流發(fā)電機的轉子級數(shù)比普通交流同步發(fā)電機的級數(shù)多得多。。</p><p>　　直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖如圖2.3所示</p><p>　　圖2.3直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p&

72、gt;　　風電系統(tǒng)需要使用大功率電子電力器件將發(fā)電機運作發(fā)出的全部的交流電流經(jīng)逆變/整流裝置的轉換之后并入電網(wǎng)。有一種絕緣柵極雙極形晶體管叫做IGBT。它是結合了功率場效應晶體管和大功率的晶體管2者特點的一種復合形電子電力器件，他不僅具有大功率晶體管的導通壓減低、電流能力大的優(yōu)點，而且還有驅動功率小、工作速度快的優(yōu)點。而直流環(huán)節(jié)可以維持母線的電壓恒定是因為并有一個大的電容。[27]</p><p>　　這個風電系

73、統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：首先該方案可以獨立的設計逆變器的部分，并且在一定的程度上實現(xiàn)了該系統(tǒng)的解耦控制，并提高了系統(tǒng)運行的可靠性；其次低速電機是本系統(tǒng)中的永磁同步電機，他可以和風力機非常好的匹配，而風力機也可以直接和永磁發(fā)電機耦合，使機組的結構大大的簡化，省去了其他的發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，降低了噪音并也減小了發(fā)電機的維護工作；最后該發(fā)電機有體積小，效率高，結構簡單，損耗小，重量輕等等特點。既然有優(yōu)點，缺點也是必不可少的，他的缺點就是需要2個全功

74、率的電力轉換器，不過比起升速系統(tǒng)中所使用的升速齒輪箱結構，他的應用，可能還是以后風電發(fā)展的一個趨勢。[22]</p><p>　　直驅型同步風力發(fā)電機及其變流技術發(fā)展迅速，利用新技術有望大幅度減小低速發(fā)電機的體積和重量。</p><p>　　2.3.3三相同步發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　近些年來隨著電子電力技術的發(fā)展，在電網(wǎng)和同步發(fā)電機中使用變頻裝置，已經(jīng)從技術上

75、解決了“剛性連接”的問題，使用同步發(fā)電機的方案再次得到了人們的重視。小型風力發(fā)電系統(tǒng)一般由風力機直接驅動三相永磁同步發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機輸出地三相交流電。原始的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)使用的是比較常見的三相同步發(fā)電機，風力機使用定槳距的控制技術，發(fā)電機與電網(wǎng)通過斷路器直接連接在一起，發(fā)電機還通過齒輪箱和風力機連接在一起。因為同步發(fā)電機在運行中，不僅能輸出有功功率還能提供無功功率，他的電能質(zhì)量高，頻率穩(wěn)定，所以現(xiàn)在已經(jīng)被電力系統(tǒng)廣泛的使用。但是

76、，風速的無規(guī)律變化，使得作用在轉子上的轉矩很不穩(wěn)定，在并網(wǎng)的時候他的調(diào)速的性能非常難達到同步發(fā)電機的精度要求，所以他在風力發(fā)電幾組上的使用效果達不到理想要求。因此三相同步發(fā)電系統(tǒng)需要勵磁機構和調(diào)速機構對同步發(fā)電機的電壓、頻率和功率進行為之有效的控制，不然可能會造成非常嚴重的無功振蕩與失步。</p><p>　　普通三相同步發(fā)電機的風電系統(tǒng)結構的示意圖如圖2.4所示。風力機的功率的控制使用了變槳距的調(diào)節(jié)方式是為了能

77、夠捕獲到最大的風能。全功率變換器的變速恒頻同步風電系統(tǒng)是由發(fā)電機的轉子側經(jīng)由勵磁控制器來調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流達到控制發(fā)電機定子側的輸出電壓幅值和定子側經(jīng)由電網(wǎng)和功率變換器來實現(xiàn)的“柔性連接”來構成的。[24]</p><p>　　圖2.4 三相同步風力發(fā)電機型風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　第三章 直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p><b>　　

78、3.1概述</b></p><p>　　直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)使用了低速永磁多級發(fā)電機，所以無需安裝交流發(fā)電機和風力機之間的升速齒輪箱，無齒輪可以直接驅動系統(tǒng)。他的優(yōu)點是：沒有齒輪箱的使用，使得電能生產(chǎn)的機械傳動鏈被大大縮短，也使得機組的水平軸長度減小很多，大大降低了維修費用，并減少了齒輪箱旋轉產(chǎn)生的磨損，噪音和損耗等等，增大了發(fā)電機組的工作壽命，使之更適合環(huán)保要求</p><p&

79、gt;　　直驅式永磁同步風力發(fā)電機控制系統(tǒng)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1直驅式永磁同步風力發(fā)電機控制系統(tǒng)</p><p>　　使用了永磁同步風電機，將會把發(fā)出的頻率和電壓隨著風速的變化而變化的交流電流經(jīng)三相二極管的整流橋被整流成為直流，而后經(jīng)過大電感的濾波之后，會得到一個比較平穩(wěn)的直流電壓，再經(jīng)過DC-DC的變換成為升壓電路，最后提供了幅值比較恒定的直流電壓給需要的逆變電路

80、，當逆變電路最終逆變成了和電網(wǎng)的頻率一樣的恒頻的電能之后就能并網(wǎng)了。[15]因為在整個發(fā)電系統(tǒng)中，省去了發(fā)電機和風力機之間的傳動結構，因此，這種結構引起了廣泛的注意。在該系統(tǒng)中使用全公路車變頻器，尤其是對容量大的風力發(fā)電系統(tǒng)來說變頻器的容量顯著增加了。這樣就使控制結構比較簡單，大大降低了系統(tǒng)的成本，并提高了發(fā)電系統(tǒng)的結構的硬性，使得系統(tǒng)的可靠性大大增加。</p><p>　　3.2變槳距系統(tǒng)控制</p>

81、;<p>　　上述的控制研究都是以風力機在不變風速的條件下運行的，但是在較高的風速下，機組物理性能使得能量的獲取收到了限制。當風速超過了額定的風速時，由于這時候隨著風速提高，功率上升趨于平緩，一旦過了額定點后，槳葉就開始失速了，風速的升高導致功率有所下降，所以風能的利用系數(shù)大幅度的下降。而是用變槳距控制，可以不用擔心風速超過了額定點后功率的控制問題，可以使發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)具有很好的柔性，使額定功率點仍然具有很高的功率系數(shù)

82、，這是高于額定風速的時候系統(tǒng)的基本目標</p><p>　　風機在正常工作時，主要是用的是功率控制，風力機漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度決定了功率調(diào)節(jié)的速度。起動變槳距風力機的時候風速比定槳距風力機低，因此將槳葉節(jié)距角轉到合適的角度，可以使風輪具有比較大的啟動力矩，使之啟動更容易。</p><p>　　變槳距風力機是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉，使得葉片攻角在一定范圍內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過設計

83、容許值，在機組出現(xiàn)故障時，需要緊急停機，一般應先使葉片順漿。這樣機組結構中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。變槳距葉片一般葉寬小，葉片輕，機頭質(zhì)量比失速機組小，不需要很大的剎車，啟動性能好。在低空氣密度地區(qū)仍然可以達到額定功率，在額定風速之后，輸出功率可以保持相對的穩(wěn)定來保證比較高的發(fā)電量。但是由于增加了一套變槳距機構增加了故障發(fā)生的幾率，而且處理變槳距機構葉片軸承故障難度大。變距機組比較適于高原空氣密度低的地區(qū)運行。避免了當失速機

84、安裝角確定后，有可能夏季發(fā)電低，而冬季又超發(fā)的問題。變槳距機組適合于額定風速以上風速較多的地區(qū)，這樣發(fā)電量的提高比較顯著。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術。</p><p>　　什么是變槳距機構，簡單來說就是在額定的風速附近，能夠控制吸收的機械能還能隨時調(diào)節(jié)漿距角，這是依靠風速的變化來實現(xiàn)的。它不僅減少了風力對風力機造成的沖擊還保證了能夠獲取到最大能量。在整個并網(wǎng)的過程之中，變槳距

85、控制還能夠實現(xiàn)快速的無沖擊的并網(wǎng)。整個風電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和發(fā)電效率的提高是因為變速恒頻技術和變槳距控制系統(tǒng)互相配合。[9]變槳距控制機構示意圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 變槳距控制機構</p><p>　　如圖3-4所示。當槳葉節(jié)距角和槳距速率小于飽和限度時，槳距動態(tài)呈線性。執(zhí)行機構的模型描述了來自槳距控制器的槳距角指令到該指令的激勵之間的動態(tài)傳遞函數(shù)。執(zhí)行機構可以建模

86、成如下的一階系統(tǒng)。[13]</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中βref——給定槳葉節(jié)距角；</p><p><b>　　β——槳葉節(jié)距角。</b></p><p>　　由圖3-4可知，當風速達到起動風速的時候，槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定

87、的功角，風輪開始起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角。在額定風速的時候節(jié)距角基本保持不變，即不對其進行控制，當超過額定風速以后，改變槳葉節(jié)距角加以改變空氣對其槳葉的功角，限制風力機捕獲的風能，維持功率定。[26]</p><p>　　圖3.4 槳葉節(jié)距角的變化</p><p>　　變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉做的比較輕巧，受力比較小。為了能夠最大可能的吸收風能變

88、化為電能，同時在高風速下保持功率的平穩(wěn)輸出，漿距角可以隨著風速大小從而進行自動的調(diào)節(jié)。他的缺點是故障率比較高，結構相對復雜。</p><p>　　第四章 風電機組控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　控制系統(tǒng)對于發(fā)電機組的可靠、安全運行乃至是整個風廠的正常運作都具有很重要的作用。風電機組的控制系統(tǒng)實際執(zhí)行著運行狀態(tài)的監(jiān)控、安全保護工作甚至是風電機的正常運行控制。</p><

89、;p>　　硬件和軟件程序2個方面的設計構成了控制系統(tǒng)的設計。控制電路設計，主要負責信號采集的借口電路以及處理器和傳感器的選型都是硬件設計的主要內(nèi)容。而軟件設計主要是明確風電機的控制要求，然后制定相對的控制策略，再是根據(jù)風電機的控制策略實行風電機組的信號檢測、運行控制和安全方面的設計。本論文主要設計的是軟件部分。</p><p>　　4．1風力發(fā)電機電動變槳控制系統(tǒng)硬件結構</p><p&

90、gt;　　允許獨立變槳距的三槳葉結構是當前大型風力發(fā)電機組主要使用的，圖4.1是電動變槳距系統(tǒng)框圖。變槳距伺服電機、電機驅動器、減速箱、UPS、控制器等構成了電動變槳距系統(tǒng)，每個葉片都具有他們自己獨立的驅動裝置來實現(xiàn)風機對葉片的異步控制。</p><p>　　圖4.1 變槳距系統(tǒng)的構成框圖</p><p>　　傳動裝置是以法蘭連接鑄在輪轂壁的托架上。葉片軸承的內(nèi)齒和小齒輪互相嚙合并且在電機

91、旋轉的時候調(diào)節(jié)葉片。驅動裝置是由脈沖發(fā)送器的交流伺服電機和一個有從動小齒輪的三級行星式傳動裝置以及一個有制動裝置和構成。該系統(tǒng)使用減速比176.8三級行星減速箱因為槳葉的重量大又有阻力作用，造成漿距角的變化比較慢，由于一般的伺服電機的轉速比較高，因此需要減速機構。2葉片之間的最大許可相對偏差為0.3。葉片的同步運轉是由控制裝置來調(diào)節(jié)的。</p><p>　　機艙內(nèi)的主控制器與輪轂內(nèi)的變槳控制器之間通過DP總線連接

92、，另外，變槳控制的供電電源是有機艙提供三相供電電源，DP總線及三相供電電源都是通過滑環(huán)連接。當風速高于啟動風速需要由停機狀態(tài)轉為待機狀態(tài)；或者是當風速高于并網(wǎng)風速，需要并網(wǎng)時；還有當風速高于額定風速且滿足運行條件時，主控制器根據(jù)采集來的風速計算每個葉片需要調(diào)節(jié)的槳距角，由主控制器發(fā)出槳葉調(diào)節(jié)命令，通過DP總線轉到變槳控制器然后由伺服電機通過減速箱帶動葉片轉動。圖中虛線部分為UPS電源，機艙內(nèi)的三相供電電源經(jīng)過滑環(huán)連接UPS一方面對伺服電

93、機供電，另一方面，將交流電整流成24V直流做變槳控制器的電源，同時對蓄電池充電，這是變槳部分能夠安全運行的保障，當風力發(fā)電機組突然出現(xiàn)故障或者外接電源突然斷開，要能使槳葉在蓄電池作用下短時間內(nèi)達到順槳狀態(tài)，本系統(tǒng)要求以9deg,／s的速度在8s內(nèi)完成作[6]</p><p>　　變槳伺服電機是變槳伺服機構的主要執(zhí)行器件，所以它的合理的選型尤為重要。在變槳距機構設計分析中，驅動力是一個非常重要的參數(shù)，只有在它確定的

94、情況下，才能進行變槳距機構中各個部件的選擇，同時為下一步的計算提供依據(jù)．風力發(fā)電機組在不同工作狀態(tài)下，作用于槳葉變距軸上的阻力距變化很大，但是因為電動變槳距執(zhí)行機構在緊急順槳時比正常工作時大的多，所以只需考慮緊急順槳時的槳葉驅動力131，基于本系統(tǒng)中葉片的實際情況以及此緊急順槳要求得出電機轉矩T≥15 NM。本系統(tǒng)中選額定轉速為2500R／M的電機，為求得電機功率進行如下計算：</p><p><b>

95、　　P=F*V</b></p><p><b>　　T=F*R</b></p><p><b>　　V=2ΠR*N</b></p><p><b>　　P=NπT/30</b></p><p>　　其中，P為電機額定功率，T為電機輸出轉矩，v是電機轉動線速度，將&l

96、t;/p><p>　　T≥15N。M，N=2500rad／min代入上式求的得P=3927W,所以選擇額定功率為4kW的電機；另一方面，因為輪轂內(nèi)空間非常有限，所以要選擇功率密度較大的伺服電機H1?；谝陨峡紤]，本系統(tǒng)采用功率為4kW，轉矩為15 N．M的三相永磁同步電機做伺服電機。[17][12]</p><p>　　4．2 變槳系統(tǒng)的控制策略</p><p>　　

97、PID控制是當前工業(yè)過程控制中應用最廣泛的控制策略，變槳作為一個復雜的系統(tǒng)，在對槳距角的調(diào)節(jié)過程中正好需要應用到工業(yè)當中最常用的PID控制。PID控制器具有可靠性高、結構簡單、操作方便、魯棒性強等優(yōu)點。[3]</p><p>　　4．3控制系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　主控系統(tǒng)的系統(tǒng)控制程序主要使用了SIEMENS STEP7軟件為開發(fā)的工具開發(fā)，程序主要包含故障判斷、實時控制、報

98、警聯(lián)鎖、信息采集、數(shù)據(jù)通信等部分系統(tǒng)控制程序的主流程如圖4-2所示。</p><p>　　圖4.2 控制系統(tǒng)主流程</p><p>　　當系統(tǒng)開始執(zhí)行控制程序，首先是收集機艙溫度、風向、環(huán)境溫度、風力、電機繞組溫度、液壓系統(tǒng)壓力、電機軸承溫度等狀態(tài)和環(huán)境信息，并且存儲為后續(xù)的程序提供應用。進入運行的狀態(tài)后，控制程序將根據(jù)參數(shù)的大小對電池電量、風力、風速等信息作出判斷，選擇是否偏航、變漿、

99、充電、解纜并觸發(fā)相對動作來完成對應的功能。系統(tǒng)自檢作為保障風電系統(tǒng)正常運行的非常重要部分將逐個用收集到的信息和正常值進行對比來最大限度的保障風電機組的安全。</p><p>　　系統(tǒng)還定時的和變流系統(tǒng)互通信息，將發(fā)電的功率之靈傳遞給對方并且將接收到的電壓電流電功率等參數(shù)，假如發(fā)電參數(shù)滿足了發(fā)電的指標要求，發(fā)電系統(tǒng)將供電上網(wǎng)，閉合并網(wǎng)開關。電網(wǎng)自身的變量或參數(shù)也可以接入到發(fā)電系統(tǒng)中檢測并判斷運行是否正常。</

100、p><p>　　4.3.1變槳控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　作為風電機組的輸入功率調(diào)節(jié)裝置變漿系統(tǒng)在風機系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。如圖4.3所示是變槳距控制器的原理框圖。</p><p>　　圖4.3 變漿控制框圖</p><p>　　在系統(tǒng)由停機狀態(tài)轉變到啟動狀態(tài)的過程之中，主要根據(jù)發(fā)動機的轉速反饋信號和風速信號來確定槳葉在待機或是順漿位

101、置。在系統(tǒng)并網(wǎng)后，為了使系統(tǒng)保持在恒功率的狀態(tài)下，需要根據(jù)發(fā)電機的輸出功率的變化來調(diào)節(jié)漿距角，這是功率控制器在起作用。 </p><p>　　系統(tǒng)的控制算法全部是由SETP7這款軟件來實現(xiàn)的，而系統(tǒng)的功能則是由PLC來完成的額定風速之上，可以通過調(diào)整漿距角來使輸出功率保持額定功率上；當滿足了風力發(fā)電機的啟動條件的時候，主控制器則通過變漿控制器來發(fā)出的指令來使得葉片漿距角勻速的減?。划斢泄?/p>

102、障或是急停的信號的時候，使變漿電機迅速帶動槳葉順漿。</p><p>　　如圖4—4所示。當風速高于起動風速的時候，槳距角從90°減小到了0°。這個時候，當葉片連接的低速軸的轉速大于8rad／s時，槳距角將繼續(xù)進槳到3°的位置，這時一旦低速轉速持續(xù)10分鐘大于10rad／s那么并網(wǎng)，否則的話退槳到10°的位置。在變槳距控制系統(tǒng)之中[28][30]，高風速段變槳距的調(diào)節(jié)功率是

103、非常重要的一部分。系統(tǒng)在高風速階段采用PID控制進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖4.4 變漿控制流程圖</p><p>　　4.3.2 偏航控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　偏航系統(tǒng)總共包含了5個模塊如圖4.5所示。他是風力發(fā)電機組中的重要功能系統(tǒng)。</p><p>　　圖4.5 偏航系統(tǒng)功能模塊</p><p>

104、;　　自然風經(jīng)過了葉輪之后，會產(chǎn)生湍流，而風向傳感器會因為湍流的作用不停擺動，風力發(fā)電機組中的名為CPU315—2DP的中央處理單元中得到的風向值將會不停的進行變化，因此為了要實現(xiàn)系統(tǒng)的偏航過程自動正確確的校正，一方面，為了使機艙轉至正確的位置后偏航電機會停止動作，增量式的編碼器會實時的采集機艙的位置并利用了閉環(huán)控制來實現(xiàn)。另一方面，只有在風向的改變不在被允許的角度的范圍內(nèi)一段時間后才能夠去命令偏航電機的動作[17]。</p>

105、;<p>　　基本工作流程圖如圖4．6所示：</p><p>　　圖4.6 基本控制流程圖</p><p>　　4.3.3故障報警和聯(lián)鎖保護</p><p>　　聯(lián)鎖保護和報警系統(tǒng)是保證發(fā)電機組安全的一個重要環(huán)節(jié)，安全補救措施可以分為一般故障、重要的故障和錯誤警報。當控制程序把實時收集到的風電機的數(shù)據(jù)和安全值相比較后，萬一出現(xiàn)了故障，控制程序會依據(jù)不同