畢業(yè)論文-直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　風(fēng)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(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)進行了應(yīng)用設(shè)計。</p><p>　　本文以風(fēng)力發(fā)電的工作原理等基礎(chǔ)理論為基本理論，得到一種控制風(fēng)能的利用效率的變槳

2、控制的基本控制策略；通過比較當(dāng)前流行的幾個風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和不同控制方案之間的不同特點；分析了直驅(qū)式永磁風(fēng)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(zhuǎn)、全功率的逆變’’為核心的技術(shù)路線。</p><p>　　本論文最后完成了風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，以控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能為基礎(chǔ)，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(chǔ)討論了一些控制系統(tǒng)的控制策略，研究設(shè)計了主程序的流程圖，變槳距控制圖，并詳細(xì)的研究了變槳距的控制過程，得出了控制原理和結(jié)構(gòu)組成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電原理5</p><p>　　1.4 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.5 選題依據(jù)和意義6</p><p>　　第二章 風(fēng)力機的相關(guān)理論及本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2．1風(fēng)電機組的工作原理9</p><p>　　2．2風(fēng)力發(fā)電機組的分類

12、10</p><p>　　2.2.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機10</p><p>　　2.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機10</p><p>　　2.3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組11</p><p>　　2.3.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)11</p><p>　　2.3.2直驅(qū)式風(fēng)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(qū)式永磁同步風(fēng)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(fēng)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計17</p><p>　　4．1風(fēng)力發(fā)電機電動

14、變槳控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(shè)計18</p><p>　　4.3.1變槳控制系統(tǒng)軟件設(shè)計19</p><p>　　4.3.2 偏航控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(jié)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(fēng)能、太陽能等一些可以再生的能源作為對新世紀(jì)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(fēng)能毫無疑問是世界上所公認(rèn)的最最接近商業(yè)化的技術(shù)之一————和其他可再生能源相比，風(fēng)能的經(jīng)濟性最明顯，而且產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)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(yù)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(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 </p><p>　　風(fēng)是一種潛力很大的新能源，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂 暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。 </p><p>　　在過去的5年間，風(fēng)電發(fā)展不斷超越其預(yù)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(fēng)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(fēng)電累積裝機總?cè)萘考s為1.6億kW，同比上年增長31%.目前，風(fēng)電的年發(fā)電量約3400億kWh，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電市場的領(lǐng)導(dǎo)者，截至200

20、9年底，其累積裝機總?cè)萘繛?655.3萬kW，占全世界風(fēng)電總裝機的47.9%，提前超額完成了到2010年風(fēng)電裝機容量達到4000萬kW的目標(biāo)。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(lǐng)先的地位了，中國和美國成了推動全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的火車頭。目前，德國、西班牙和意大利三國的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)用風(fēng)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(fēng)電。</p><p>　　目前近海風(fēng)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(fēng)電機組在海上風(fēng)電場投入運行，約占全球累計風(fēng)電裝機

22、容量的1.3%. 2009年新增海上風(fēng)電場9個，新增海上裝機容量68.9萬kW，新增海上風(fēng)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(fēng)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(fēng)車。這個風(fēng)車有十層樓高，風(fēng)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(fēng)車可自由轉(zhuǎn)動并從任何一個方向獲得電力；風(fēng)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(fēng)力時速只有29公里，因此風(fēng)車不能全部運動。據(jù)估計，即使全年只有一半時間運轉(zhuǎn)，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(fēng)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(fēng)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(fēng)電取得了輝煌成就，目前，我國已成為世界第一風(fēng)電大國。</p><p>　　我國風(fēng)電高速發(fā)展背后有著怎樣的原因？目前風(fēng)電發(fā)展面臨哪些制約因素？“十二五”時期風(fēng)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)如何轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，促進我國實現(xiàn)從“風(fēng)電大國”向“風(fēng)電強國”的轉(zhuǎn)變？記者就這些問題采訪了國家能源局有關(guān)負(fù)責(zé)人和風(fēng)電企業(yè)代表。</p><p>　　國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，今年一季度，我國風(fēng)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(fēng)電投產(chǎn)容量和電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度是一季度風(fēng)力發(fā)電迅速增長的兩大主要因素?！眹夷茉淳挚稍偕茉此靖彼鹃L史立山分析。此外，北方供熱期基本結(jié)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(fēng)電調(diào)度騰出了空間。</p><p>　　一季度風(fēng)電發(fā)展與“十一五”風(fēng)電高速發(fā)展趨勢不謀而合?！笆晃濉逼陂g我國風(fēng)電裝機容

26、量連續(xù)5年實現(xiàn)翻番，成為世界第一的風(fēng)電大國。截至2010年底，我國風(fēng)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(fēng)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(guān)于風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)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(xì)則，這些政策為風(fēng)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(fēng)電發(fā)展打下了堅實基礎(chǔ)。</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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電裝備制造企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力也在不斷增強，初步實現(xiàn)了大功率風(fēng)電機組技術(shù)從引進消化、聯(lián)合設(shè)計到自主設(shè)計的轉(zhuǎn)化。我國企業(yè)在機組適應(yīng)我國特殊環(huán)境和風(fēng)況條件方面進行的大量創(chuàng)新，以及我國企業(yè)自主設(shè)計和開發(fā)的多兆瓦級風(fēng)電機組下線和運行，都充分證明了我國的風(fēng)電技術(shù)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(fēng)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(biāo)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(fēng)電發(fā)展將進入轉(zhuǎn)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(fēng)電基地,分散式開發(fā)和海上風(fēng)電將成為下一步熱點。</p><p>　　“為促進風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展,過去提倡建立大基地融入大電網(wǎng),但當(dāng)前更希望在此基礎(chǔ)上,支援資源不太豐富的地區(qū),發(fā)展低風(fēng)速風(fēng)電場,倡導(dǎo)分散式

30、開發(fā)”,史立山表示,分散式開發(fā)將是未來風(fēng)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(guān)注大基地建設(shè)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(fēng)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(shù)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(shù)成熟的空間。未來行業(yè)發(fā)展也會更加朝科

31、學(xué)精細(xì)化發(fā)展,注重提高質(zhì)量和效率,海上風(fēng)電也將是發(fā)展重點。</p><p>　　中國利用風(fēng)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(fēng)張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風(fēng)能最早的國家之一。中國第一座風(fēng)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(fēng)。站在“風(fēng)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(fēng)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(fēng)力資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?。年平均風(fēng)速在3.0——4.0米/秒之間，有效風(fēng)能密度為178 瓦/平方米，有效風(fēng)速為3810小時，總體屬

33、于風(fēng)能比較豐富的地區(qū)，達到國家三類風(fēng)場標(biāo)準(zhǔn)。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(fēng)場之一的長島，正處于渤海海峽風(fēng)道上，其指標(biāo)要遠遠高于這個平均數(shù)字。據(jù)測定，年平均風(fēng)速6.86米/秒，有效風(fēng)速（3——25米/秒）達8279個小時,平均有效風(fēng)功率密度為每平方米325瓦。1998年，煙臺第一臺風(fēng)力發(fā)電設(shè)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(fēng)電場。如今，華能長島中

34、電公司、長島聯(lián)凱風(fēng)力發(fā)電公司逐年圍繞風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)該占一定比重。去年，我們在沈陽的風(fēng)</p><p>　　我國能源結(jié)構(gòu)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(fēng)電和快速提高風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)水平是我國能源建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。</p><p>　　圖1.1中國風(fēng)能專業(yè)委員會 2010年統(tǒng)計</p><p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電原理</p><p>　　風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(guān)注。</p><p&

37、gt;　　風(fēng)力發(fā)電的原理：是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。</p><p>　　1.4 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機由機艙、塔架和葉輪組成。風(fēng)的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)，而葉輪轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機，最后發(fā)電機產(chǎn)生電</p><p>　　控制器：風(fēng)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。　　</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(fēng)能的葉片，風(fēng)速足夠大的時候就會驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　主軸：主軸與齒輪箱連接，葉輪用很大的力使得主軸轉(zhuǎn)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(fēng)。</p><p>　　偏航電機：偏航電機將機艙轉(zhuǎn)動以便使葉輪準(zhǔn)確對風(fēng)！</p><p>　　齒輪箱：大型風(fēng)機葉輪的旋轉(zhuǎn)速度再每分鐘27轉(zhuǎn)左右，而發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要在每分鐘1500轉(zhuǎn)左右，因此就需要齒輪箱將27轉(zhuǎn)變?yōu)?500轉(zhuǎn)。</p><p>

41、　　機械剎車：當(dāng)風(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到每分鐘1500轉(zhuǎn)</p><p>　　發(fā)電機：發(fā)電機達到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)機上采用水冷方式，而散熱器再將水冷卻</p><p>　　風(fēng)速儀：風(fēng)速儀用來測量風(fēng)的速度，它將風(fēng)速信息傳到控制器中。</p><p>　　風(fēng)向標(biāo)：風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)向擺動，他告訴控制系統(tǒng)風(fēng)的方向，計算機啟動偏航電機偏航使葉輪對風(fēng)。</p><p>　　控制器：風(fēng)機控制柜是一臺能控制風(fēng)機各個部件的計算機，計算機使機艙偏航對風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速儀所測風(fēng)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(zhuǎn)動。</p><p>　　1.5 選題依據(jù)和意義</p><p>　　風(fēng)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實課題。</p><p>　　風(fēng)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(fēng)能主要利用形式的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)今世界

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

45、國氣象局最新調(diào)查結(jié)果顯示，我國海陸50米高度處風(fēng)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(fēng)電取得了輝煌成就。</p><p>　　據(jù)初步統(tǒng)計，2010年我國風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電裝備制造企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力也不斷增強，初步實現(xiàn)了大功率風(fēng)電機組技術(shù)從引進消化、聯(lián)合設(shè)計到自主設(shè)計的轉(zhuǎn)化。我國企業(yè)在機組適應(yīng)我國特殊環(huán)境和風(fēng)況條件方面進行的大量創(chuàng)新，以及我國企業(yè)自主設(shè)計和開發(fā)的多兆瓦級風(fēng)電機組下線和運行，都充分證明我國的風(fēng)電技術(shù)已達到國際先進水平。市場規(guī)模的迅速擴大和技術(shù)創(chuàng)新能力的快速提升也促進了我國風(fēng)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(wù)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(fēng)電政策體系，電價更加合理、發(fā)展目標(biāo)更加清晰、發(fā)電企業(yè)與電網(wǎng)的責(zé)任更加明確，為風(fēng)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(fēng)電在我國節(jié)能減排中擔(dān)當(dāng)重任。更長遠地看，這些有利條件還可能支撐風(fēng)電逐步邁向我國主流電源行列。</p><p>　　不過，我們也應(yīng)看到，風(fēng)電在我國電源結(jié)構(gòu)

48、中的比重仍不到1%，很多人仍然沒有意識到風(fēng)電在未來以“科學(xué)、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(yīng)用依然是近期風(fēng)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(fēng)電藍圖，壯志滿懷之余，各方還應(yīng)合力解決以下五個問題，才能在新的征程上實現(xiàn)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展。</p><p>　　第一，發(fā)展和應(yīng)用清潔能源是每個人的社會責(zé)任，要通過普及宣傳，讓全社會都認(rèn)識到，加強包括風(fēng)電在內(nèi)的可再

49、生能源開發(fā)利用，是應(yīng)對日益嚴(yán)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(fēng)電發(fā)展?fàn)I造良好的輿論氛圍。</p><p>　　第二，歐洲的經(jīng)驗表明，風(fēng)電并網(wǎng)和應(yīng)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(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)風(fēng)電與其他行業(yè)的發(fā)展關(guān)系，破解風(fēng)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(fēng)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(shù)研發(fā)和測試平臺、加快人才隊伍建設(shè)等措施不斷完善技術(shù)創(chuàng)新體系，推動我國向風(fēng)電技術(shù)強國邁進。</p><p>　　第四，加強風(fēng)電設(shè)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(yīng)進一步完善風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)體系，并通過檢測認(rèn)證等第三方評價制度，貫徹落實標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，進一步提升風(fēng)電設(shè)備品質(zhì)。</p><p>　　第五，加強國際交流與合作，創(chuàng)造有利于風(fēng)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(fēng)電技術(shù)早日成為無國界的“綠色”技術(shù)，讓風(fēng)能為全人類謀福祉。</p><p>　　第二章 風(fēng)力機的相關(guān)理論及本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</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(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，對風(fēng)電技術(shù)的研究具有很重要的意義。本文的主要目的是針對直驅(qū)式的風(fēng)

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

53、</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機由機艙、塔架和葉輪組成。風(fēng)的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)，而葉輪轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機，最后發(fā)電機產(chǎn)生電 </p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機工作原理簡單的說是：風(fēng)的動能（即空氣的動能）轉(zhuǎn)化成發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能，轉(zhuǎn)子的動能又轉(zhuǎn)化成電能。</p><p>　　根據(jù)德國風(fēng)能會的估計，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝機容量可能達到1

54、50千兆瓦。</p><p>　　現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機的機翼一樣。風(fēng)并非推動風(fēng)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。分局Betz定律，理論上風(fēng)電機能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率的59.6%，大多數(shù)風(fēng)電機只能提取風(fēng)的功率的40%或者更少。</p>

55、<p>　　風(fēng)力發(fā)電機主要包含三部分：風(fēng)輪，機艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機的最常見的結(jié)構(gòu)是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直立管塔桿上。</p><p>　　風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不想小型風(fēng)力發(fā)電機，大型的風(fēng)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)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(fēng)下用低速和再強風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機的感應(yīng)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(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機械裝置令機艙和風(fēng)輪自動的轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。</p><p>　　風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪變速箱傳送到機艙內(nèi)的發(fā)電機。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)電機是很普遍的。不過，為了風(fēng)電機而設(shè)計的多級直接驅(qū)動式發(fā)電機也有顯著的發(fā)展。</p><p>　　設(shè)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(fēng)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(fēng)電機，超過額定風(fēng)速的強風(fēng)會導(dǎo)致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強時，葉片尾部制動裝置會動作令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機每篇葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)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(dǎo)導(dǎo)地下去。[20]</p><p>　　2．2風(fēng)力發(fā)電機組的分類</p><p>　　雖然風(fēng)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(fēng)電機，他的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向是平行的，第二種就是垂直軸的風(fēng)電機了，他的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸正好跟水平風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機</p>

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

60、風(fēng)力機，風(fēng)輪在塔架后面的則成為下風(fēng)向風(fēng)機。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的再一個塔架上安裝多個風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。 </p><p>　　圖2.1 風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　2.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　垂直軸風(fēng)力發(fā)

61、電機在風(fēng)向改變的時候無需對風(fēng)，在這點上相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機是一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，而且也減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。 </p><p>　　利用阻力旋轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有幾種類型，其中有利用平板和被子做成的風(fēng)輪，這是一種純阻力裝置；S型風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組</p><p>　　風(fēng)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(fēng)力機轉(zhuǎn)速的變化是由于風(fēng)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(fēng)力機來進行驅(qū)動的交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電，簡單地說就是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電機組是風(fēng)力發(fā)電得以實現(xiàn)所需要

63、的裝置。當(dāng)20世紀(jì) 80年代興起了一種并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，他是一項新型的能源技術(shù)，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(shù)、計算機、電子電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)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(zhuǎn)變，乃至于向智能型的控制方向發(fā)展。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)經(jīng)歷了從風(fēng)

64、力發(fā)電機組的定槳距恒速運行轉(zhuǎn)變到基于變槳距技術(shù)的變速運行，可以說基本實現(xiàn)了他的最終目標(biāo)：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(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　雙饋式發(fā)電機是變速運行風(fēng)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(shù)基

65、礎(chǔ)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(zhuǎn)子輸出的功率。雙饋機的定子和電網(wǎng)連接在一起，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場方向和機械旋轉(zhuǎn)的方向一樣，n為+，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子輸出功率通過變頻器實現(xiàn)。也可以超同步運行即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場方向和機械旋轉(zhuǎn)方向

66、相反，n為-，當(dāng)發(fā)電機在超同步速度的時候，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子一起向電網(wǎng)輸出能量。[25]</p><p>　　雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前世界風(fēng)力發(fā)電的研究熱點之一，雙饋風(fēng)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(zhuǎn)子一側(cè)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(cè)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(fēng)能，提高

67、風(fēng)能的利用率；降低了輸出功率的波動和機組的機械應(yīng)力；提高電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力以及穩(wěn)定性；在轉(zhuǎn)子側(cè)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(fù)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(fēng)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(shù)的發(fā)展，雙饋型感應(yīng)發(fā)電機（Double-Fed

68、Induction Generator）在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用越來越廣。這種技術(shù)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(dāng)?shù)目刂?，從而達到輸出一個恒頻電能的目的。雙饋感應(yīng)發(fā)電機在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)磁勢，而三相繞組的適當(dāng)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(zhuǎn)的磁勢，這就相當(dāng)于同步發(fā)電機中帶有直流勵磁的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)勵磁磁動勢的頻率可調(diào)。這樣當(dāng)原動機的轉(zhuǎn)速不定時，適當(dāng)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(dāng)中，但是雙饋反應(yīng)發(fā)電機的廣泛應(yīng)用這一趨勢將越來越明顯。 </p><p>　　圖2.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖</

70、p><p>　　2.3.2直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機和風(fēng)力機轉(zhuǎn)子直接耦合，因此發(fā)電機的輸出端的電壓和頻率隨著風(fēng)速的變化而變化。在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，在交流發(fā)電機和風(fēng)力機之間不用安裝升速齒輪箱，是因為使用了直接驅(qū)動技術(shù)，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(fēng)力機組并網(wǎng)。在該發(fā)電機組

71、系統(tǒng)中這種電機的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.3所示</p><p>　　圖2.3直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p&

72、gt;　　風(fēng)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(zhuǎn)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(jié)合了功率場效應(yīng)晶體管和大功率的晶體管2者特點的一種復(fù)合形電子電力器件，他不僅具有大功率晶體管的導(dǎo)通壓減低、電流能力大的優(yōu)點，而且還有驅(qū)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(fēng)電系

73、統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：首先該方案可以獨立的設(shè)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(fēng)力機非常好的匹配，而風(fēng)力機也可以直接和永磁發(fā)電機耦合，使機組的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器，不過比起升速系統(tǒng)中所使用的升速齒輪箱結(jié)構(gòu)，他的應(yīng)用，可能還是以后風(fēng)電發(fā)展的一個趨勢。[22]</p><p>　　直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)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(shù)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(shù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力機直接驅(qū)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(fēng)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(fēng)力機使用定槳距的控制技術(shù)，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(fēng)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(fēng)速的無規(guī)律變化，使得作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)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(fēng)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(gòu)和調(diào)速機構(gòu)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(yán)重的無功振蕩與失步。</p><p>　　普通三相同步發(fā)電機的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2.4所示。風(fēng)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(fēng)能。全功率變換器的變速恒頻同步風(fēng)電系統(tǒng)是由發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)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(cè)的輸出電壓幅值和定子側(cè)經(jīng)由電網(wǎng)和功率變換器來實現(xiàn)的“柔性連接”來構(gòu)成的。[24]</p><p>　　圖2.4 三相同步風(fēng)力發(fā)電機型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　第三章 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p><b>　　

78、3.1概述</b></p><p>　　直驅(qū)式風(fēng)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(fēng)力機之間的升速齒輪箱，無齒輪可以直接驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)</p><p>　　使用了永磁同步風(fēng)電機，將會把發(fā)出的頻率和電壓隨著風(fēng)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(dāng)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(fēng)力機之間的傳動結(jié)構(gòu)，因此，這種結(jié)構(gòu)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(fēng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)力機在不變風(fēng)速的條件下運行的，但是在較高的風(fēng)速下，機組物理性能使得能量的獲取收到了限制。當(dāng)風(fēng)速超過了額定的風(fēng)速時，由于這時候隨著風(fēng)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(fēng)速的升高導(dǎo)致功率有所下降，所以風(fēng)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(dān)心風(fēng)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(fēng)速的時候系統(tǒng)的基本目標(biāo)</p><p>　　風(fēng)機在正常工作時，主要是用的是功率控制，風(fēng)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(fēng)力機的時候風(fēng)速比定槳距風(fēng)力機低，因此將槳葉節(jié)距角轉(zhuǎn)到合適的角度，可以使風(fēng)輪具有比較大的啟動力矩，使之啟動更容易。</p><p>　　變槳距風(fēng)力機是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，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(shè)計

83、容許值，在機組出現(xiàn)故障時，需要緊急停機，一般應(yīng)先使葉片順漿。這樣機組結(jié)構(gòu)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(fēng)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(gòu)增加了故障發(fā)生的幾率，而且處理變槳距機構(gòu)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(dāng)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(fēng)速以上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術(shù)。</p><p>　　什么是變槳距機構(gòu)，簡單來說就是在額定的風(fēng)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(fēng)速的變化來實現(xiàn)的。它不僅減少了風(fēng)力對風(fēng)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?qū)崿F(xiàn)快速的無沖擊的并網(wǎng)。整個風(fēng)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(shù)和變槳距控制系統(tǒng)互相配合。[9]變槳距控制機構(gòu)示意圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 變槳距控制機構(gòu)</p><p>　　如圖3-4所示。當(dāng)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(gòu)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(gòu)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(dāng)風(fēng)速達到起動風(fēng)速的時候，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定

87、的功角，風(fēng)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(fēng)速的時候節(jié)距角基本保持不變，即不對其進行控制，當(dāng)超過額定風(fēng)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(fēng)力機捕獲的風(fēng)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(fēng)能變

88、化為電能，同時在高風(fēng)速下保持功率的平穩(wěn)輸出，漿距角可以隨著風(fēng)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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。</p><p>　　第四章 風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)廠的正常運作都具有很重要的作用。風(fēng)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(fēng)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(shè)計構(gòu)成了控制系統(tǒng)的設(shè)計?？刂齐娐吩O(shè)計，主要負(fù)責(zé)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(shè)計的主要內(nèi)容。而軟件設(shè)計主要是明確風(fēng)電機的控制要求，然后制定相對的控制策略，再是根據(jù)風(fēng)電機的控制策略實行風(fēng)電機組的信號檢測、運行控制和安全方面的設(shè)計。本論文主要設(shè)計的是軟件部分。</p><p>　　4．1風(fēng)力發(fā)電機電動變槳控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)</p><p&

90、gt;　　允許獨立變槳距的三槳葉結(jié)構(gòu)是當(dāng)前大型風(fēng)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(qū)動器、減速箱、UPS、控制器等構(gòu)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(qū)動裝置來實現(xiàn)風(fēng)機對葉片的異步控制。</p><p>　　圖4.1 變槳距系統(tǒng)的構(gòu)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(zhuǎn)的時候調(diào)節(jié)葉片。驅(qū)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(gòu)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(zhuǎn)速比較高，因此需要減速機構(gòu)。2葉片之間的最大許可相對偏差為0.3。葉片的同步運轉(zhuǎn)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(dāng)風(fēng)速高于啟動風(fēng)速需要由停機狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)；或者是當(dāng)風(fēng)速高于并網(wǎng)風(fēng)速，需要并網(wǎng)時；還有當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速且滿足運行條件時，主控制器根據(jù)采集來的風(fēng)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(zhuǎn)到變槳控制器然后由伺服電機通過減速箱帶動葉片轉(zhuǎn)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(dāng)風(fēng)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(gòu)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(gòu)設(shè)計分析中，驅(qū)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(gòu)中各個部件的選擇，同時為下一步的計算提供依據(jù)．風(fēng)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(gòu)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(qū)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(zhuǎn)矩T≥15 NM。本系統(tǒng)中選額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，v是電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)前工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的控制策略，變槳作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在對槳距角的調(diào)節(jié)過程中正好需要應(yīng)用到工業(yè)當(dāng)中最常用的PID控制。PID控制器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)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(shè)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(dāng)系統(tǒng)開始執(zhí)行控制程序，首先是收集機艙溫度、風(fēng)向、環(huán)境溫度、風(fēng)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(yīng)用。進入運行的狀態(tài)后，控制程序?qū)⒏鶕?jù)參數(shù)的大小對電池電量、風(fēng)力、風(fēng)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(yīng)的功能。系統(tǒng)自檢作為保障風(fēng)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(fēng)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(biāo)要求，發(fā)電系統(tǒng)將供電上網(wǎng)，閉合并網(wǎng)開關(guān)。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(shè)計</p><p>　　作為風(fēng)電機組的輸入功率調(diào)節(jié)裝置變漿系統(tǒng)在風(fēng)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(zhuǎn)變到啟動狀態(tài)的過程之中，主要根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號和風(fēng)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(fēng)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(dāng)滿足了風(fēng)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小；當(dāng)有故

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(dāng)風(fēng)速高于起動風(fēng)速的時候，槳距角從90°減小到了0°。這個時候，當(dāng)葉片連接的低速軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)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(fēng)經(jīng)過了葉輪之后，會產(chǎn)生湍流，而風(fēng)向傳感器會因為湍流的作用不停擺動，風(fēng)力發(fā)電機組中的名為CPU315—2DP的中央處理單元中得到的風(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)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(dāng)控制程序把實時收集到的風(fēng)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