风力发电机控制系统研究本科生毕业设计

风力发电机控制系统研究本科生毕业设计（共9篇）

风力发电机控制系统研究本科生毕业设计 篇1

本科生毕业设计（论文）开题报告

题目：风力发电机控制系统研究

学院：信息工程系电气工程及自动化

专业：电机电器

班级：电气051班

学号：7022805017

姓名：熊寅

指导教师：江智军

填表日期：2008年4月4日

一、选题的依据及意义

1.1 选题依据:

传统风力发电机组大都采用三桨叶与轮毅刚性连接的结构，即定桨距风轮。桨叶端部

1.5—2.5m的部分设计一般设计成可控制的叶尖扰流器，当风力发电机组需要停机时，扰流器可旋转90度形成阻尼板，使风轮转动速度迅速下降，这一机构称为气动刹车。

随着风力发电机组设计制造水平的不断提高，在大型的风力发电机组中已经普遍开始采用变桨距风轮。变桨距风轮的桨叶和轮毅不再是刚性连接，而是通过可以转动的推力轴承或者专为变桨结构设计的联轴器来联接。这种风轮的优点在于可以根据风速来调节气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速时，通过调节风轮的受力可以使风机保持在稳定的输出功率上。而且，在大风的情况下可以调节风机处于顺桨状态从而改善整个风机的受力状况。

与火电煤电等常规发电方式不同，风力发电机组需要频繁地起停，并且转动惯量很大，转速大都设计在每分钟十几到三十几转之间，机组容量越大，风机的转速越低。所以，传统的风力发电机组的风机与发电机之间通常需要增设增速齿轮箱。而风力发电厂的安装和运行经验都表明，齿轮箱往往是维护工作量最大的一个部件，也是成本最高、寿命最短的部件之一，故此，如何提高齿轮箱的可靠性或者是否可以取消齿轮箱就成为广大风力发电研究者的研究课题之一。

变速恒频直驱型风力发电机组在运行时，风机不接增速齿轮箱，直接和发电机祸合;发电机的定子为三相绕组或多相绕组，转子为永磁或电励磁结构;定子发出非工频的电能，电压也随转速变化;系统中有整流逆变装置，发电机发出的电压和频率都在变化的交流电经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网;通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。

1.2选题意义：

变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是

在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景1)传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，要风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上。(2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。(3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒频发电系统更易实现并网操作及运行。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视。首先，它来自于自然，取之不尽用之不竭;其次，风力发电只降低了风的速度，并不产生任何有害的物质，对大自然没有污

染。这些优势使得人们对它青睐有加。

随着风力发电应用得越来越广，在整个能源结构中所占比例越来越大，风力发电技术要朝着大功率、高效率、直驱式、变转速、变桨距和最优控制等方向发展，达到提高机组运行性能、提高风能利用率、简化结构提高可靠性、减少材料消耗、降低机组重量、降低造价的目的。对我们能源节约的问题上有着重要的意义。

二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

2.1 国内研究现状及发展趋势：

我国虽然是在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到在90年代国家“乘风计划“的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。在国家有关部委的支持下，额定功率为Zoowk、25OWk、300wk、600姗的风力发电机组已研制成功，ZOOWk~600wk的大型风力发电机组制造技术己基本掌握，并开始研制兆瓦级风力发电机组。我国自主开发的20OWk~300wk级风力发电机组的国产化率已超过9%0;6O0Wk风力发电机组样机的国产化率达到80%左右。此外还开发了一批风光、风柴联合发电系统。浙江省机电设计研究院研制的20Owk风力发电机组，于1997年4月通过了国家级技术成果鉴定，同年12月又完成了中试样机的研制。由上海蓝天公司主持研制的300wk风力发电机组，1998年初在南澳风电场投入并网运行，目前运行情况良好。在6O0wk风力机研制方面，由国家科委立项，新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化项目也迈出了坚实的步伐。到2003年，我国己在11个省区建立了27个风电场，总装机容量达46万wk。其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万kw;南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万kw;内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3万kw;福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500wk、6O0wk、800wk容量不等的风力发电场。其次，浙江、福建、广东沿海及新疆、内蒙古自治区都有较大功率的风力发电场。东部沿海有丰富的风能资源，距离电力负荷中心近，海上风电场必将成为今后我国新兴的能源基地。

虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年20%以上的速度递增，但风电仍仅占全国电力总装机的0.11%。相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。国内自制的风力发电机多为异步发电机，不能做到变速恒频发电，不能有效地利用各种风况下的风能。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。

为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，其中包括国家的光明工程和863计划——后续能源技术主题等国家重大科技发展项目。我国风力发电指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。我国风力发电划是重点开发6O0kW及以上风力发电机组，实现规模化生产;研究开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机组;提高10kw以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电系统。我国风力发电的主要目标是:2005年并网风力发电装机容量达到120万kw，形成15一20万kw的设备制造能力，以满足国内市场需求;到20巧年新能源和可再生能源年开发量达到4300、万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2%，该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近50万个就业岗位。可见，有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。

2.2 国外研究现状与发展趋势：

首先从装机容量上来看近几年世界风力发电的发展。到2001年，全球总装机容量为25273MW，其中德国装机容量为8OOOWM，名列首位，占世界风电装机容量的30%。美国装机容量达4000WM，名列第二。西班牙为3300WM，名列第三。丹麦装机容量265OWM，英国为65OWM，中国为400WM，排列第八位。到2002年底，世界总装机容量为32037WM，而欧洲占全世界的74.4%，为23832MW。据预测，在2001一2005年的5年间，全世界新增风力发电设备的发电能力约为3900WM，到2010年全世界总装机容量会超过140000WM，预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的10%。

其次，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。

三、本课题研究内容

本文以变速恒频直驱风力发电机为控制对象，对由其构成的风力发电系统及其相关的控制技术进行研究，研究内容主要包括以下几个方面：

1.深入研究变速恒频风力发电技术;

2.针对变速恒频风力发电技术，相应提出同步风力发电机的控制策略;

3.设计搭建实验平台，用于测试控制策略的可行性;

4.完成主要控制部分的软件设计;

5.结合平台完成实验并分析实验结果。

四、本课题研究方案

本文首先从传统的风力发电机组开始分析，研究变速恒频直驱风力发电技术与其具有哪些不同以及具有的的优势，然后谈及同步风力发电机组的控制略、运行原理和发电系统的组成。研究方案中还包括控制系统中硬件部分的组成和软件部分的组成，如何通过仿真模型实验来验证这种控制方案的实施。

五、研究目标、主要特色及工作进度

5.1研究目标。

5.2 主要特色

伴随着风力发电产业的发展和对风能利用水平要求的不断提高，风力发电的控制系统一直处在人们关注的焦点之下，是人们不断研究和改进的对象。同步风力发电机系统以其无齿轮箱、输出有功和无功功率可调节等优势曾经博得过人们的青睐，但因其难以满足恒速恒频的控制要求一度退出风电舞台。现在，电力电子技术的发展使得同步风力发电机的控制变得更加简单，变速恒频技术的进步给同步风力发电机的应用提供了更广阔的空间。

变速恒频直驱风力发电技术的优点有:可以实现最大风能获取，对永磁机组而言有较高的效率;有较宽的转速运行范围，可在-30%～+15%的转速范围内运行;没有齿轮箱，可靠性好;控制简单，可灵活地调节有功和无功功率。

六、参考文献

[29]Chung D W, Unified Voltage Modulation Technique for Real Time Three-Phase Power Conversion [J].IEEE Trans.On Industry Application, 1998

[30]C.S.Berendsen, G.Champenois, J.Pavoine.Commutations Strategies for Brushless D.C.Motor Influence on the Instant Torquc.IEEE, 1990

[31]Nicola Bianchi, Silverio Bolognani and Brian J.Chalmers.Salient-Rotor PM Synchronous Motors for an Extended Flux-Weakening Operation Range.IEEE Trans.On Industry Application, 2000

[32]BrianJ.Chalmers,andLawrenceMusaba.DesignandField-Weakening Performance of a Synchronous Reluctance Motor with Axially-Laminated Rotor.IEEE Industry Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, 1997

[33]M Marinescu, N Marinescu.Numerical computation of torque in permanent magnet motors by Maxwell stresses and energy method [J].IEEE Trans.On Magnetic s, 1988

[34] TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Peripherals Reference Guide, Texas Instruments, 2002

风力发电机控制系统研究本科生毕业设计 篇2

关键词：风能,风力发电,电气设计

风能是一种可再生能源, 随着能源形势的日益紧张以及可持续发展的不断加快, 风能的利用逐渐被人们所重视。风力发电就是一个典型例子。当前风力发电已经作为一种新兴技术被广泛应用。

风力发电中科学合理的电气设计非常重要。电气设计直接影响着供电系统的稳定性, 因而需要我们予以高度重视。风力发电中的电气设计具体而言指的是:确定并网方式、电气主接线设计、监控系统的选择以及确定电能设计量。下面就来重点论述这几个方面。

1 电气主接线设计

电气主接线设计是电气设计的重点, 电气主接线设计是否合理直接影响着整体效果。通常情况下在电气主接线设计过程中必须要着重考虑以下方面的问题。

升压方式的选择问题。在实际电气设计过程中电气主接线采取的是分级升压方式。电气主接线有一级升压和二级升压两种方式。一级风压主要指的是风力发电机通过风机箱式升压变直接升至接入系统电压。二级升压指的是风力发电机通过风机箱式升压变升压。这两种方式相比, 一变多机式运行可靠, 但是灵活性却不如一机一变式。

通常情况下选择高一级的电网压并网要优于第一级, 但是在设计过程中针对35kv的风电场还需要从技术和经济这两个方面综合考虑才能确定方式。

2 确定并网方式

风电场并网是电气设计的关键环节, 在风电场并网的时候设计人员必须要充分考虑用户数量、风电场容量以及与中心变电站的距离。为了保证系统的稳定, 设计人员必须要结合风电实际情况从10kv、35kv以及110kv中选择合适的网络接入。在并网的过程中一般要遵循就近并网的原则。在实际并网过程中设计人员要重点考虑以下几个因素:

一是风电场总装机容量。一般情况下不同的电压接入风机容量是对应着不同类型的网络的。10kv对应的是2到5MW, 而110kv对应的就是100MW以上的。我们在选择过程中需要根据实际的装机容量来确定。二是要考虑与上级变电站的最大允许距离。电气设计对最大允许距离是有着专门要求的, 如果不能满足要求就需要专门建设变电站。对于最大允许距离的确定, 通常是按照“最大允许距离=网络参数/风机额定容量”这一公式来进行计算的。三是要充分考虑额定电压的影响。一般情况下风机升压变压器以及传输线路内产生的最大电压是不能超过线路额定电压的10%的, 这是需要我们注意的一点。

3 电能计量的确定

在风能发电过程中电能计量的确定以及风电效益的计算是最为关键的问题, 在电气设计过程中必须要加强对电能计量的研究。

通常情况下的电能计量的确定需要充分考虑两方面的问题。一是二次降压问题。风电场变电站场地过大, 二次线路过长时极易产生负载过重、降压超标的现象。毫无疑问, 这是非常不利于风电场的正常发挥的, 因而需要加大二次回路线径, 从而减轻二次负载, 最终保证电力系统的正常运行。二是变比问题。一般情况下计量电磁式电流互感器 (CT) 的变比二次负载电流是不能小于30%的, 一旦小于这个标准就会导致计量失准。在今后设计过程中应该专门建立CT, 要选用计量专用独立CT。

4 监控系统的设计

4.1 概述

风电场远方监控系统主要对分布在不同地区风电场的风力发电机组和场内变电站的设备运行情况及生产运行数据进行实时采集和监控, 使监控中心能够及时准确地了解各风电场的生产运行状况。远程监控系统使您可以通过网络连接 (电话线或宽带) , 在PC机上执行和中央监控系统相同的功能, 而无需安装任何额外的软件。

通过监控系统, 可以在监控室查看到各风机的详细参数, 如电能, 风速, 风向, 气温, 风机压力, 风机温度和转速等。还可以查看到历史趋势图, 实时趋势图, 报警信息, 升压站运行状况及报表信息。还可以对风电场的风电机组进行远程控制, 如远程开机, 停机, 偏航, 复位等。

4.2 监控系统原理

如图1所示, 中央监控系统一般采用双闭环的网络结构。每个闭环网络支持20台到50台的风电机组。可根据现场安装环境, 配置多个闭环网络。

每台风电机组配置一台工业级交换机。

在服务器机柜中, 每个闭环网络也需要配置一台工业级交换机, 其型号和每台风电机组配置的交换机相同。

作为一种新的发电方式, 当前风力发电已经得到了广泛应用。加强对风力发电技术的研究也变得越来越重要。风力发电过程中发电系统的设计是风能发电建设的核心。在风力发电电气系统设计中电气主接线设计是关键, 并网方式的选择也直接关系到发电效果, 电能计量意义重大, 电力人员要根据自身实际情况严格按照规范来确定计量。监控系统的选择也是重要事项。总的来说就是要加强这几个方面的研究, 努力提升设计水平。

参考文献

[1]郑子谦.现代风力发电中电气施工的理论性分析[J].价值工程, 2010 (6) .

[2]杨苹, 马艺玮.储能技术在风力发电中的应用[J].系统科学与数学, 2012 (4) .

风力发电机的可维护性设计研究 篇3

关键词：风力发电机；风力发电系统；可维护性设计

1 引言

风能属于太阳能的一种，因此它是取之不尽、用之不竭的；在能量转换过程中，不产生任何有害气体和废料，属于清洁能源；与传统火电相比，发电也不存在原材料运输问题。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，已受到世界各国的广泛重视，经过近些年的发展,安装规模有了大幅度提高。但从现场反馈情况看，仍有部分风机存在故障率高，利用率低的现象，影响用户的经济效益。其产生原因往往是由于现场维护不到位造成的。而设计结构不合理；检测手段不科学；维护流程不完善，是导致维护不到位的根本原因。因此，本文给风机的研发引入了可维护性设计思想，使产品在设计阶段就解决将来现场的维护问题，确保消除维护障碍，提高风机利用率，从而降低运营成本。

2 可维护性设计的涵义

APICS（美国运作管理协会）将可维护性定义为：一类提供修理和高效能力的设备及其安装的特征。根据国标《GB/T 19960.1-2005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件》4.6 可维护性与可维修性要求：“在机组要维护的部位应留有调整和维护空间，以便于维护。机组及零部件在质量合格的前提下应具有维修、调整和修复性能。塔架高度超过60m的机组应为维护人员配备安全的提升装置。”

因此，风力发电机在设计时应充分保证产品和系统使用的可维护性。其设计要考虑产品与系统功能与性能维护的方便性、可靠性、可测控性、精度、安全性和经济性，而且应和系统的其他设计要素并行考虑与实施。其根本目的是响应顾客的需求，并实现生产接收管理与信息控制。它体现在产品与系统的功能要求和用户的满意度上。

3 风机可维护性的理论设计及实施步骤

风力发电机的可维护性根据上述定义及目的，编制了如下设计与实施步骤（见图1）：

图1风机可维护性设计实施步骤

1 概念设计：定义概念、确定产品或系统维护的要素组成，产品先期的可行性研究。包括：维护先期条件确立、维护周期等级分类、风机维护组成部分。

2 具体/详细设计：完成可维护性的预测，完成与可维护性相关的文件编写和审定，并规定产品或系统寿命期中的相关的可维护性功能与要求，进行维护安全规则编制、维护工具选取、维护所需耗材、编制《风力发电机组维护手册》。

3 生产制造及安装：在生产制造及安装过程中完成可维护性规定的功能的辨识、排序、试验的组织与实施，保证了风机的制造及安装各阶段的可维护性。

4 系统使用与寿命的支持：风机在客户使用过程中进行的可维护性监测、实验与评价，可维护性数据采集、分析和修正活动。根据不同零部件的维护监测结果与维护周期，进行耗材与部件的更换与补充。

5 系统退役与处理：包括风机系统退役部件的可拆卸性、可重复利用性（回收）及消除污染方面的工作。风机使用的，能够对水造成污染的润滑剂或冷却剂必须以正确的方式使用和处置。防止污染物进入环境中，从而满足了客户的环境评估要求。

4 风机可维护性设计实例

4.1 设计完备的监测手段保证设备运行跟踪与维护

风机通过安装PLC控制器、CMS状态监控器及远程在线监测软件的方式，配合各部位传感器及通讯网络，形成了完善的监测系统，实时测量风机的各种运行状态，充分保证了维护的可测、可控。监测项目如图2：

图2风电机组监测系统

风机引入了模块化安全系统，该系统是风力发电机组的一个中央控制单元，在有关安全限值超出限定值时，可独立通过操作管理系统触发制动系统。此外，根据驱动情况，可开启变流器从电网中隔离的程序，切断供应电压，触动低压设备主开关和中压开关设备电源开关并阻断偏航系统。模块化安全系统在机舱入口处、低压单元、齿轮箱、塔底等关键部位分别设置了急停按钮及检修开关，维护时可充分保障人身安全。

4.2 设计高效、快捷地运送人员及物料通道

风力发电机组引入风塔电梯技术，将安全、速度、舒适充分融入其中，是风力发电机组的安装和后期维护的高效保障。该电梯可以提供高达250kg的有效载荷，能轻松将人员或重物进行高速提升至塔顶附近。内部设置安全保护开关，保障电梯运行安全。

舱内设置额定载重为500kg的吊装设备。因此，在后期维护时，人员可以利用該吊车将故障部件从机舱尾部直接吊至地面，从而大幅减少劳动强度，节约时间。利用机舱内小吊车可更换的主要部件有：偏航电机及驱动、机舱内各冷却泵、润滑泵、低压单元部件、变桨控制柜部件等。

4.3 模块化结构设计保证维护简便、快捷

设计时尽量采用标准件，结构上采用了模块化设计等，提高了产品的标准化、通用性、互换性程度。使得该风机的维护过程容易实现。维护人员不需要过多繁重的专用工具，降低维护的技能要求。

4.4 可靠的设计延长了设备使用寿命

风机电气布线方面，通过设计合理的布线路径，保证动力电缆、控制电缆走线明确，方便检修；动力电缆采用交错布线，控制电缆采用屏蔽电缆，有效地减少了电磁干扰；电缆折弯半径严格按照相关标准执行，保证弯曲处的导体及绝缘的抗疲劳强度；电缆使用温度范围大，可以达到-40℃~70℃，适应严酷的外部环境；电缆在与主机架、轮毂等金属部分有可能产生相对摩擦运动的部位均覆盖了硬质波纹管等材料进行保护，通过以上措施保证了布线的可靠性，延长了电缆的维护更换周期。

4.5 采用防差错设计保障维护质量、提高效率

具有完善的防差错措施和识别标识。在该风机系统中，有不少的标识、铭牌，帮助维护人员识别部件，提高维护效率，同时提醒维护人员避开潜在的危险。例如，电缆及连接器，所有预制装置均需标记电缆号和起始位置。对同一类型或类似类型的连接器编制代码，以确保不会产生错误插接。在低压单元密集的插件板上，相邻的接插件对应插口针型均不相同，保证了连接器接插的“唯一性”，可有效防止电缆插错。

4.6 预留安全、便利的维护空间

风机的主轴，在主轴锥形面上开了三个人孔（见图3）,形成了一个通道，可以方便进出。这种设计既节省了材料，又降低了重量，更重要的是为将来风机的维护工作提供了极为便利的条件，客户在维护时，可以从人孔直接进入轮毂，从而避免了以往维护人员在机舱外进入的危险。

图3风机主轴部位示意图

① 人孔② 轮毂

合理安排各组成部分的位置，减少连接件、固定件，使其检测、换件等维护操作简单方便，尽可能做到维护任一部分时，不拆卸或少拆卸，少移动其他部分，以降低工作量。轮毂中变桨电机，减速机的空间布置，是对散热方面的考虑，也是对维护操作可达性的考量。此处设计时，按照维护时人员所处的位置、姿势与使用工具的状况，提供适当的操作空间，使维护人员有个比较合理的姿势，避免易导致疲劳或受伤的姿势进行操作。在传动机构、轮毂或风轮叶片上进行维护工作时，要严格保证人员及设备的安全，因此，在设计时分别配备了风轮止动装置、叶片止动装置，防止转动，大大曾加了可维护的安全性。

塔筒/基础等部位在运行维护时要检查焊接部位、螺栓连接状态、表面涂层等，因此设计时应在塔筒关键节点设立平台、扶手、照明灯等设施，保证维护的可达性。

针对机舱顶部风速风向仪的维护，由于现场人员需爬至机舱外，风机在高空振动较大。因此应将机舱罩顶部表面设计成防滑结构，防止维护人员摔倒。

4.7 对风机的元件、耗材进行量化评价设计保证维护精度

风机的可维护性包括对元件、耗材的品质检验，应当具备量化的评估手段。风机在设计时应充分考虑维护人员上述要求，对于发电机冷却、变流器冷却及齿轮箱冷却系统的水/防冻剂合剂浓度、PH值；冷却液含量成分比例，均做了量化定义，使得维护人员可以根据维护规定的要求及时进行更换补充，保证了冷却液的成分精确度。

设计时对风机主要部分连接螺栓扭矩值进行了详细规定，客户在维护时即可依据对应的扭矩值使用扭矩扳手进行紧固，保证了连接的强度可靠性。

5 结论

通过上述多种措施，实现了风机的可维护性设计理念，使传统设计思想得到了完善和补充。在设计时不仅要考虑产品的功能性实现，而且对于后期现场人员进行维护的可达性、方便性也进行系统的研究。改进检测手段，以降低系统误报率，减少停机频次；空间布局设计合理，人员维修方便；部件通用性强，维护时可以携带更少的工具、材料，减少工作量；装配结构可靠简单，易损件便于观察，提高更换部件的效率。在设计理念中融入可维护性设计思想，减轻和减少维护的需求，从而降低维护成本，给客户带来良好的经济效益。风力发电机的可维护性设计对于提高产品竞争力具有十分重要的意义。

参考文献

[1]姚兴佳.王士荣.董丽萍.风力发电机的选型、使用和维护[J].可再生能源 2006.5(129)：99-102.

[2]全国风力机械标准化技术委员会.GB/T 19960.1-2005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2005.

风力发电机控制系统研究本科生毕业设计 篇4

—低风速时风力发电机组风轮的转速控制研究一·低风速时风力发电机组风轮的转速控制研究的目的和意义

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视。首先，它来自于自然，取之不尽用之不竭;其次，风力发电只降低了风的速度，并不产生任何有害的物质，对大自然没有污染。这些优势使得人们对它青睐有加。

目前，我国大规模风能开发利用主要集中在风能资源丰富的高风速区，对于风能资源较丰富和可利用的低风速区却几乎没有开发，而这部分地区约占全国总面积的68%，且我国能源消耗的主要区域均处于低风速区。

低风速时风力发电机组风轮的转速控制研究能帮助我国开发属于低风速区的风能，低风速区风能的开发对实现风能的就地转化和利用、弥补常规风能利用手段的不同、补充化石能源的短缺、及对能源消耗结构的调整有重要作用。二·国内外的研究概况

2.1 国内研究现状及发展趋势：

我国虽然是在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到在90年代国家“乘风计划“的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。在国家有关部委的支持下，额定功率为200kw、250kw、300kw、600kw的风力发电机组已研制成功，200kw~600kw的大型风力发电机组制造技术己基本掌握，并开始研制兆瓦级风力发电机组。我国自主开发的200kw~300kw级风力发电机组的国产化率已超过90%;600kw风力发电机组样机的国产化率达到80%左右。此外还开发了一批风光、风柴联合发电系统。浙江省机电设计研究院研制的200kw风力发电机组，于1997年4月通过了国家级技术成果鉴定，同年12月又完成了样机的研制。由上海蓝天公司主持研制的300kw风力发电机组，1998年初在南澳风电场投入并网运行，目前运行情况良好。在600kw风力机研制方面，由国家科委立项，新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化项目也迈出了坚实的步伐。到2003年，我国己在11个省区建立了27个风电场，总装机容量达46万kw。其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万kw;南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万kw;内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3万kw;福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500kw、600kw、800kw容量不等的风力发电场。其次，浙江、福建、广东沿海及新疆、内蒙古自治区都有较大功率的风力发电场。东部沿海有丰富的风能资源，距离电力负荷中心近，海上风电场必将成为今后我国新兴的能源基地。

虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年20%以上的速度递增，但风电仍仅占全国电力总装机的0.11%。相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。国内自制的风力发电机多为异步发电机，不能做到变速恒频发电，不能有效地利用各种风况下的风能。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。

2.2 国外研究现状与发展趋势：

首先从装机容量上来看近几年世界风力发电的发展。到2001年，全球总装机容量为25273mw，其中德国装机容量为8OOOmw，名列首位，占世界风电装机容量的30%。美国装机容量达4000mw，名列第二。西班牙为3300mw，名列第三。丹麦装机容量265Omw，英国为65Omw，中国为400mw，排列第八位。到2002年底，世界总装机容量为32037mw，而欧洲占全世界的74.4%，为23832mw。据预测，在2001一2005年的5年间，全世界新增风力发电设备的发电能力约为3900mw，到2010年全世界总装机容量会超过140000mw，预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的10%。

其次，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。

三·论文的理论依据、研究方法、研究内容

3·1：风力机转速系统分析

本研究采用PLC作为风力发电机组的主结果控制器，可以用简单的程序完成复杂的逻辑控制。风力发电机组的运行逻辑通过PLC控制器进行协调，PLC控制器根据外部运行条件控制风力发电机组启动和停机，实时监控变流器内的电流和电压，协调整流器和逆变器的工作，控制变桨距调整风力发电机的转速，最终实现平稳的功率输出。

3·2：风力转速研究方法及理论

在不同的风速下,调整叶片的转速,最大的获取能量。也就是风速低于额定风速时,跟踪最大功率系数（Cpmax）。整个控制分成三个阶段:当风速达到启动风速时,风力机开始发电运行,叶片转速不断增加,C的值不断增加,风力机逐渐进入功率系数（Cp）恒定区(CpCpmax),这时随着风速的增大,转速必须下降,使叶尖速比减少的速度比转速恒定区下降的更快,使机组维持在更小的C值下恒功率运行。

转矩和转速关系特性可以用下图表示

转矩控制目前分直接速度控制和间接速度控制,间接速度控制是根据转矩和转速的平方关系式来控制发电机转矩:

论文采用的控制是采用直接速度控制,直接速度控制是将任一时刻所需要的最佳发电机转速设置为风速的函数,通过测量风速,然后从风力发电机组的功率特性推算发电机所需的最佳速度。

风速和叶尖速比确定当前的气动转矩Ta,在经过机械的感应滞后后输出气 动转矩Tm作工月在齿轮箱的轴上,根据输入的风速确定当前参考转速wret和经过传动系统测量的当前转速作为控制器的输入,控制器通过控制逆变器和发电机的转矩和气动输出转矩几乎达到动态平衡,控制叶轮的转速稳定在最佳叶尖速比附

近,获取最大的能量。转矩产生的延时一般低于10ms,与机械系统的时间常数相比,可以认为是瞬态过程,通过这一假设简化了风力发电机组模型,电气系统的状态参数的动态特性均可以相对机械系统忽略。

稳态时,风力发电机组的机械转矩

气动转矩是一个跟风速,转速,桨叶节距角有关的函数,当在桨叶节距角刀恒定时,运行点附件的小变化量可以表示为

可以看出叶轮的转矩和风速有关,同时也与自身的转速有关。

四·参考文献

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论文2008-05-25

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风力发电控制系统十一 篇5

（十一）并网后需要关注的主要问题

电能质量

根据国家标准，对电能质量的要求有五个方面：电网高次谐波、电压闪变与电压波动、三相电压及电流不平衡、电压偏差、频率偏差。风电机组对电网产生影响的主要有高次谐波和电压闪变与电压波动。电压闪变

风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。容易造成电压闪变与电压波动。

谐波污染

风电给系统带来谐波的途径主要有两种。一种是风机本身配备的电力电子装置可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过过程很短。对于变速风机是通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电于装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，不过随着电力电子器件的不断改进，这个问题也在逐步得到解决。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。当然与闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。

电网稳定性

在风电的领域，经常遇到的一个的难题是：薄弱的电网短路容量、电网电压的波动和风力发电机的频繁掉线。尤其是越来越多的大型风电机组并网后，对电网的影响更大。在过去的20年间，风电场的主要特点是采用感应发电机，装机规模较小，与配电网直接相连，对系统的影响主要表现为电能质量。随着电力电子技术的发展，大量新型大容量风力发电机组开始投入运行，风电场装机达到可以和常规机组相比的规模，直接接入输电网，与风电场并网有关的电压、无功控制、有功调度、静态稳定和动态稳定等问题越来越突出。这需要对电力系统的稳定性进行计算、评估。要根据电网结构，负荷情况，决定最大的发电量和系统在发生故障时的稳定性。国内外对电网稳定性都非常重视，开展了不少关于风电并网运行与控制技术方面的研究。

风电场大多采用感应发电机，需要系统提供无功支持，否则有可能导致小型电网的电压失稳。采用异步发电机，除非采取必要的预防措施，如动态无功补偿、否则会造成线损增加，送电距离远的末端用户电压降低。电网稳定性降低，在发生三相接地故障，都将导致全网的电压崩溃。由于大型电网具有足够的备用容量和调节能力，一般不必考虑风电进入引起频率稳定性问题。但是对于孤立运行的小型电网，风电带来的频率偏移和稳定性问题是不容忽视的。

由于变频技术的发展，我们可以利用交-直-交的变频调节装置的控制功能很容易地根据电网采集到的线路电压波动的情况、功率因数的状况等、和电网的要求，来调节和控制变频装置的频率、相位角和幅值使之达到调节电网的功率因数，为弱电网提供无功能量的要求。

发电计划与调度

传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是，如果系统内含有风电场，因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度，发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看做负的负荷，不具有可预测性；如果把它看做电源，可靠性没有保证。正因为如此，有必要对含风电场电力系统的运行计划进行研究。风力发电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动，系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限制系统准入的风电功率水平，因此有必要对电力系统传统的运行方式和控制手段做出适当的改进和调整，研究随机的发电计划算法，以便

风力发电机组的基本控制策略 篇6

2008年10月29日 星期三 16:29

(一)风力发电机组的工作状态

风力发电机组总是工作在如下状态之一：①运行状态；②暂停状态；③停机状态；④紧急停机状态。每种工作状态可看作风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧停状态处在最低层次。

为了能够清楚地了解机组在各种状态条件下控制系统是如何反应的，必须对每种工作状态作出精确的定义。这样，控制软件就可以根据机组所处的状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变桨距系统、制动系统、晶闸管等进行操作，实现状态之间的转换。

以下给出了四种工作状态的主要特征及其简要说明。

(1)运行状态：

1)机械刹车松开；

2)允许机组并网发电；

3)机组自动调向；

4)液压系统保持工作压力；

5)叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。

(2)暂停状态：

1)机械刹车松开；

2)液压泵保持工作压力；

3)自动调向保持工作状态；

4)叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角向90°方向；

5)风力发电机组空转。

这个工作状态在调试风力发电机组时非常有用，因为调试风力机的目的是

要求机组的各种功能正常，而不一定要求发电运行。

(3)停机状态

1)机械刹车松开

2)液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距系统失去压力而实现机械旁路；

3)液压系统保持工作压力；

4)调向系统停止工作。

(4)紧急停机状态：

1)机械刹车与气动刹车同时动作；

2)紧急电路(安全链)开启；

3)计算机所有输出信号无效；

4)计算机仍在运行和测量所有输入信号。

风力发电机控制系统研究本科生毕业设计 篇7

风力发电行业高速发展, 风力发电技术也不断提高。在风力发电技术的发展过程中, 控制技术始终起着主导作用, 并且随着风力发电技术的发展, 其重要性更加突出[1]。最近几年, 进入风力发电领域的变速恒频风力发电机组已成为风力发电的主流机型, 其主要特点是在变桨距风力发电机组的基础上采用了转速可以在大范围变化的双馈式异步发电机及相应的电力电子技术, 通过对最佳叶尖速比的跟踪, 使得风力发电机组在所有的风速下均可获得最佳的功率输出[2]。

本文基于双馈式异步变速恒频风力发电机机型, 以西门子PLC为控制核心, 结合组态上位机完成了风力发电机的控制系统设计。

1 风力发电机的总体结构

双馈式异步变速恒频风力发电机主要由叶轮、增速箱、双馈异步发电机、变桨系统、偏航装置、冷却系统、并网电路以及控制系统等部分组成。叶轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件, 风以一定的速度和攻角作用在桨叶上, 使桨叶产生旋转力矩而转动, 将风能转换成机械能。叶轮通过增速齿轮箱带动发电机。偏航装置和变桨系统分别实现发电过程中的对风和桨距角调节功能[3]。

2 控制系统组成

控制系统是风力发电机组实现安全可靠运行以及获得高发电率的关键, 实现如偏航、齿轮箱、发电机、主轴、制动系统和变流系统等各大部件在不同工况条件下的协调控制以及在故障情况下的报警和保护。

控制系统的结构框图如图2所示, 控制系统包括PLC系统、PC上位机监测系统、偏航系统、变距系统、并网控制器、变流系统、数据采集接口及其它功能执行器。PLC作为控制系统的核心, 与其它各部分联系密切, 共同来实现风力发电机的控制任务。

3 控制系统硬件设计

变速恒频风力发电机组的控制系统较复杂, 以西门子S7-1200PLC为控制核心, 并采用上位机作为人机界面来实现系统监测、命令及数据输入、数据报表统计等功能。整个风力发电机组控制系统有13点数字量输入、30点模拟量输入, 4点模拟量输出和7点模拟量输出。PLC选用S7-1200系列的CPU1214C模块, 该CPU模块有14点数字量输入、10点数字量输出和2点模拟量输入, 因此还需要扩展模拟量模块。根据系统的模拟量点数, PLC外扩4块SM1231 8*AI模块和1块SM1232 4*AQ模块。控制系统的PLC外部接线如图3所示。

上位机作为风机系统和操作人员交换信息的设备, 是不可或缺的。PLC和上位机通过以太网进行通讯。上位机通过Win CC组态, 因为Win CC中没有S7-1200的驱动, 所以两者的连接只能用OPC的方式通讯, S7-1200作为Sever端, 设置IP, 上位机作为Client端, 通过SIMTIC NET建立PC Station来与S7-1200通讯[4]。

4 控制系统软件设计

4.1 基本控制策略

变速恒频风力发电机组的主要特点是:在额定风速之下, 在最大升力桨距角位置, 调用发电机、叶轮转速, 保持最佳叶尖速比, 达到最大风能捕获效率;在额定风速之上, 配合变桨机构, 最大恒功率输出[5]。

在不同的风速段、不同的工作条件下, 采用不同的控制方法调整机组的运行状态, 可使机组工作曲线表现出预期的工作特性, 在安全条件下获得高发电率。图4为变速恒频风力发电机的理想运行状态曲线图。随着风速的变化, 风力发电机组运行在不同的区域, 各有不同的控制任务、不同的控制方法。

图4中OA段为风机启动阶段, 对发电机进行启动并网控制, 发电机无功率输出;AB段为Cp恒定区, 机组随着风速作变速运行以追踪最大风能;BC段为转速恒定区, 随着风速增大, 转速保持恒定, 功率将增大;CD段为功率恒定区, 随着风速增大, 控制转速迅速下降以保持恒定的功率输出。其几个运行区域的Cp值变化情况如表1所示[6]。

4.1.1 启动控制

风机的全自动启动是风电机组发电能并网发电的前期保证。当风速大于额定切入风速4 m/s时, 风电机组允许进行启动。测得风速大于切入速度后, 风电机组首先进行偏航控制, 确保风机正对风向。当风向角和偏航角之差不超过5°时, 风机将桨距从90°调整为0°附近, 使桨叶迎风。在变桨过程中, 应始终使桨叶的提升力大于0, 从而使风轮转速不断变大, 以达到额定转速附近。发电机转速在达到1 000 r/min时考虑并网。

但需注意, 在桨距角变化时应依据风速和转速进行控制, 如果桨距角变化过快, 会导致桨叶受到的阻力>升力, 则风机无法正常启动。在变桨过程中, 应始终使桨叶的提升力大于0。本系统采用的设计方法是:变桨系统先将桨距角快速转到30°, 当转速从0转到500 r/min时, 再将桨距角给定值线性地减小到0°。这样转子不仅具有高启动力矩, 还能在风速快速增大时实现快速启动。

4.1.2 转速控制

当风力发电机组并网后运行在额定风速以下时, 通过转矩控制实现对发电机转速的调节, 来追踪最佳CP曲线。由风力机组的能量转换系统模型知:

当风轮运行在最佳转速时,

式中, TR为叶轮转矩, PS为风力机的有功功率, Ωopt为风轮最佳转速。

另外, 风力机的有功功率还满足

式中:ρ为空气密度;v为风速, 且v=ωr/λ;S为气流扫掠面积;CP为风能利用系数。

由上两式及ωopt=N·Ωopt, T=TR/N, 得

式中, T为发电机转矩, R为叶轮半径, CP (MAX) 为最优功率系数, S为最优发电机转速, CP为最优的叶尖速比, N为齿轮箱变速比, k为最优模态增益。

由式 (3) 知, 为使风机沿最佳效率曲线运行, 发电机的转距应按照转速的二次方来进行设置[7]。

在追寻最大功率曲线时, 本系统采用的方法是:事先根据叶片特性等计算出最优的叶尖速比λopt和最优功率系数CP (MAX) , 将它们作为固定值设置在控制器中, 于是由测量到的发电机转速即可得知获得最大功率下的理想发电机电磁转矩。转矩控制采用PI基本控制方式。

4.1.3 桨距控制

变速恒频风力发电机的桨距控制主要包括两部分:一是风力发电机启动时, 使风机的桨距角从90°调到0°;二是在风机达到额定功率时, 风力发电机组通过主动变桨来保持额定功率, 即使风速再大, 发电机的有功功率也能保持恒定。

当功率大于额定功率时, 风力发电机组就会主动变桨控制, 即通过叶片和轮毂之间的轴承转动叶片来减小迎角, 由此减小翼型的升力, 从而达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨距风力发电机组的桨叶桨距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的。主动变桨控制也采用PI控制, 但其PI控制器的KP是随桨距角β变化的, 其形式为

式中, Ti为积分时间常数;增益G为桨距角β的非线性函数。在控制实行时, 采用查表法。

4.2 控制系统的PLC程序设计

PLC的程序设计采用TIA Portal V11编程软件, 通过以太网接口向PLC中下载程序。程序设计采用模块化设计方式, 除主程序块OB1外, 还有用于实现数据转换、偏航控制、解缆等功能的多块FC、FB功能块。转速控制和桨距控制均采用PID控制方式, 因此程序还设有定时循环中断OB。系统的程序流程图如图5所示。

5 上位机监控系统设计

上位机利用SIMATIC Win CC软件进行组态, 其监控界面如图6所示。通过上位机监测系统, 操作人员不仅可以监测风力发电机的运行状态、风力参数、电力参数、并网状态等, 还可以向PLC传输控制命令, 如启动、紧急停车、解缆等命令。另外, 通过组态上位机还可以实时记录系统的发电量等数据, 供操作人员查询[8]。

6 结语

本文在对双馈异步风力发电机组的工作原理和控制机理进行分析和研究的基础上, 设计了一种基于PLC和上位机监测系统的控制系统, 此控制系统运用合理的转速控制、桨距控制策略以及PID控制等控制算法, 实现了双馈异步风力发电机的安全稳定运行, 且发电机组发电效率高。此控制系统的设计对风力发电机的控制技术的研究具有一定的参考意义。

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风力发电机控制系统研究本科生毕业设计 篇8

摘要：在电网电压稳定和降落时，要求双馈风力发电系统能够根据系统的需求及时的调整功率的输出.分析了双馈风力发电机的数学模型，在电网电压稳定时采用传统基于电网电压定向的矢量控制，在电压降落时采用计及定子电压波动的改进控制策略.利用Matlab/Simulink搭建系统仿真模型，仿真结果表明：在电网电压稳定和电网电压降落时有效实现有功功率和无功功率的解耦.电网电压降落时，双馈风力发电机能够实现无功调压.采用PI控制器，系统响应快、超调小，验证了控制策略的准确定性，

关键词：双馈风力发电系统；电网电压降落；功率控制；无功调压

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.004

中图分类号：TM273

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0020-05

0 引言

双馈风力发电系统的功率控制技术是研究风力发电系统的关键技术之一.双馈风力发电机（DFIG）转子侧主要控制发电机向电网输送有功功率和无功功率.有功功率通过最大风能追踪控制策略实现有功功率的输出；无功功率根据电网的需求来调节功率因数.主要有矢量控制策略和直接功率控制技术和自适应控制等技术.

在电网稳定运行时，传统的控制策略都忽略了定子电压的动态变化量和磁链的动态变化量，使控制模型得以简化，便于模型的搭建.但从系统的运行来看，由于电网负荷的增减等因素都造成电网电压的波动，而电网不可能一直保持稳定运行状态，因此研究在电网电压波动时，使双馈风力发电机的能够良好的适应电网的波动，对提高双馈风力发电系统的鲁棒性具有重要意义.

本文考虑到电网电压降落和风速变化两个因素对双馈发电机及其控制策略的影响，在理想电网基础上，提出改进基于电网电压定向的矢量控制策略，通过Matlab/Simulink搭建系统仿真模型，在理想电网和电网电压降落情况下，系统实现了有功功率与无功功率独立控制以及无功调压.

1 双馈风力发电系统数学模型

双馈发电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.其系统结构如图1所示.

1.1 双馈风力发电机的数学模型

以同步旋转dq为坐标系，定子、转子均采用电动机惯例，双馈发电机的数学模型如下：

定、转子电压方程可表示为（略写零序分量）：式中：u_ds、u_qs、u_dr、u_qr分别为定子、转子电压的d、q轴分量；i_ds、i_qs、i_dr、i_qr分别为定子、转子电流的d、q轴分量；ψ_ds、ψ_qs、ψ_dr、ψ_qr分别为定子、转子磁链的d、q轴分量；r_s、r_r分别为定、转子的电阻；L_s、L_r、L_m分别为定、转子的白感和互感；ω₁、ω_r分别为同步转速和实际转速.

1.2 改进转子侧控制侧略

在双馈风力发电机模型基础之上，推导出定子电流、转子磁链方程如下：

由式（6）或（7）中看出，传统的控制策略中，只考虑到了电压的稳态分量和稳态电压补偿项，忽略了电压的动态分量.在电网稳定运行时，忽略动态分量对于系统没有影响，但当电网电压发生波动时，该控制策略就具有一定的局限性，因此改进的控制策略中，考虑到定子电压的波动对于系统的影响，将电压的动态分量加入到定子电压中，使系统更好的适应电网电压的波动，提高控制模型的准确性，

采用基于电网电压定向的改进矢量控制策略，其坐标表示如图2所示.u_ds=u_s，u_qs=0，ψ_ds=O，u_s为电网电压的幅值，忽略了定子电阻，则q轴的磁链可近似为： .将其代人到式（6）中，转子电压方程为：

定子输出的有功无功功率为

由上式可以看出，分别调节转子d轴电流i_dr和q轴电流i_qr可实现对有功功率和无功功率的解耦控制，当电网电压降落时，控制系统保持有功功率基本不变，使其仍很好的跟随最大风能追踪，而通过增加无功功率，可以补偿电网电压的降落，从而实现了无功参与调节电网电压，

传统的基于定子电压定向的矢量控制策略，忽略了电网电压的波动对系统的影响，使控制系统得以简化，但其只能运行在理想电网条件下，具有一定的局限性，改进的控制策略考虑到定子电压、电流、磁链的动态变化，重新推导转子电压方程，将电网电压的动态变化量加入到转子侧的电压中.与传统的控制策略相比较，在电网电压波动时，转子侧电压能及时跟随电网电压的变化而实时调整，提高了控制的准确性和系统的鲁棒性并实现电网降落时无功调压.

1.3 改进基于电网电压定向的矢量控制系统

网侧控制策略参考文献，本文不再赘述.发电机励磁系统采用双闭环的PI控制结构.外环为功率控制环，内环为电流控制环.相比于电流外环和转速内环闭环控制，通过给定功率参考值，将定子输出功率与转子电流和电压建立直接关系，提高了系统控制的准确性.本文采用基于功率给定的MPPT控制策略，将风机输出功率作为系统的参考功率，无功功率参考值则根据系统的需求给出，采用PI控制器，在传统的控制策略基础之上增加了动态补偿项，经坐标变换，作为SVPWM的控制信号.改进的控制策略系统与传统控制策略系统相比较，增加了电网电压的动态分量，增加模型的利用范围，提高了整个系统的鲁棒性.其控制结构如图3所示.

2 P-Q解耦控制方案仿真分析

利用Madab/Simulink为平台，搭建双馈风力发电系统模型.设置系统仿真参数如表1所示.

2.1 电网电压稳定下的仿真

仿真从稳态开始.设定风速变化范围为：风速从

3 s开始阶跃变化，由5m/s变为6m/s；在5s时第二次发生阶跃变化，由6m/s变为7m/s，在7s时风速7m/s变为6.5m/s，并保持恒定.其仿真波形如图4所示.

图4（a）中，随着风速的增加，有功功率增加，而风速减小，则有功功率减小，表明DFIG很好的跟随了风机的输出功率，验证了基于功率给定的最大风能追踪控制策略的准确性.同时，在3s、5s、7s时，有功功率变化，无功功功率保持不变，在4s时无功功率参考值由0变为IOkvar，6s时变为8kvar，有功功率保持不变，验证了改进的基于电网电压定向的控制策略能够有效的实现有功、无功功率解耦.同时，在风速变化时，有功功率响应速度快，超调小，表明PI控制器能够快速准确的满足系统的响应.图4（b）中，电流有功分量i_dr、无功分量i_qr也实现解耦，因此分别调节i_dr、i_qr可以实现有功、无功功率的解耦.图4（c）中，采用给定功率的MPPT控制策略，将风机输出有功功率作为DFIG的功率参考值.图为参考功率与实际功率的误差值，其误差值几乎为0，可以看出，实际有功功率能很好的跟随参考值的变化，表明系统控制策略的准确性.

2.2 电网电压降落时的仿真

在电网频率恒定的条件下，电网在1.5s时，电网电压骤降为365V，在4s时恢复到初始值380V.风速在Ss时由5m/s变为6m/s.采用改进控制策略，其仿真结果如图5所示，

在电网电压波动时，图5（a）中，电网电压在1.5～4s时降落15V，图5（b）中，有功功率随着电压降低而降低，但变化范围不大，电机仍能正常发出有功功率.无功功率的给定值设为0var，在1.5s时电压骤降，1.5～4s内无功功率负向增大，由于双馈电机采用电动机惯例，Q

3 结语

双馈风力发电系统的有功功率和无功功率的解耦是其控制的关键技术之一.本文给出了DFIG数学模型，重新推导了转子侧电压公式，提出了改进的基于电网电压定向的控制策略.与传统控制策略相比，增加了电网电压的动态分量，克服了传统控制策略只运行在理想电网条件下的局限性，增加了系统控制的准确性和鲁棒性.实验结果表明，在两种电网条件下，都可以很好的实现有功功率和无功功率的解耦控制.在电网电压降落时，DFIG能够根据系统的需求，增加无功功率的输出，从而实现了DFIG的无功功率的调整，进而实现电压的调整.整个系统响应速度快，超调小，具有一定的工程应用意义，

关于风力发电机组元件的研究 篇9

现在风力发电机组使用的大部分都是双馈异步发电机，此发电机的转子电气系统是由集电环与碳刷组成的换向器而实现的，由于接地碳刷的磨损没有监控或报警系统而使得接地碳刷的过渡磨损而导致集电环损坏。经过现场观察和研究发现：磨损的集电环基本都是ABC三相集电环轻微磨损，但接地侧集电环已经磨损严重不得不更换整个集电环装置，导致集电环的过渡报废，增大了风电机的检修维护费用和风电机的可利用率。如果能有效监控或者控制接地碳刷的过渡磨损而损坏集电环装置，现在行业内的解决办法是：研究更耐磨更好性能的接地碳刷，经过大量研究发现，虽然接地碳刷的性能有了很大的提高，但是不能解决集电环过渡磨损的根本性问题，由于接地碳刷在磨损范围内时对集电环的磨损程度是很小的，但是如果接地碳刷过渡磨

损，导致碳刷连接导线的铜丝暴露出来后与集电环产生摩擦，这样就会使得集电环快速磨损，这样会在短时间内使得集电环磨损严重。为了控制接地碳刷连接导线铜丝不摩擦集电环，应该在碳刷未磨损到连接铜丝高度时产生接地保护信号，提示维护人员更换接地碳刷。为此特研究这种带有磨损极限保护报警的接地碳刷，原理图如下：

同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之

一。因此，近几年来，中国的风力发电事业也得到了很快的发展。

1中国的风能资源

风能资源是由于地球表面大气流动形成的一种动能资源，因此一般说来，其特点是靠近地面的风速越低，风能就越小；而离地面越高风速越大，其风能也越大，因而在估算风能资源时，离地高度是关键因素之一。本文以离地10m高的风

能估算。

由于中国幅员辽阔，海岸线长，拥有丰富的风能资源，但地形条件复杂，因此风能资源的分布并不均匀。据中国气象科学研究院对全国900多个气象站测算，陆地风能资源的理论储量为32.26亿kw，可开发的风能资源储量为2.53亿kw，主要集中在北部地区，包括内蒙古、甘肃、新疆、黑龙江、吉林、辽宁、青海、西藏，以及河北等省、区。风能资源丰富的沿海及其岛屿，其可开发量约为10亿kw，主要分布在辽宁、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省、市、区。但北部地区这些省、区，由于地势平坦、交通便利，因此有利于建设连成一片的大规模风电场，例如新疆的达坂城风电场和内蒙古的辉

腾锡勒风电场等。

2风电的发展过程和现状

中国的风力发电是于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作的，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在10kw以下的小型风力发电场，但其

后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，中国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是独立运行的。直到1986年，在山东荣城建成了中国第一座并网运行的风电场后，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。到1990年已建成4座并网型风电场，总装机容量为

4.215mw，其最大单机容量为200kw。在此基础上，风力发电从1991年起开始步入了逐步推广阶段，到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1mw，最大单机容量为500kw。1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，其特点是风电场规模和装机容量均较大，最大单机容量为1300kw。从1996～2002年末，中国风电装机总容量已达470mw。而一些省份风电装机容量见

表1。

表1一些省份2002年末风电装机容量

省、区容量(mw)省、区容量(mw)

辽宁102.51吉林30.06

新疆89.65甘肃16.20

广东79.29河北13.45

内蒙古75.84福建12.00

浙江33.05海南8.70

3风电场投资成本和风电机组的制造技术

(1)风电场投资成本：

风电场投资成本(单位千瓦造价)是衡量风电场建设经济性的主要因素，归纳

起来有以下三个方面：

①风电机组的制造成本，由于风电机组是风电场的主要设备，因此风电机组的制造成本将直接关系到风电场的总投资。但随着风电机组制造技术的不断提高和机组性能的不断改进，其单机容量的不断扩大，这将使风电机组单位千瓦的造

价会明显下降，因此也随之使风电场的造价下降。

②风电场的规模，亦即风电场的装机容量。一般说来，风电场的规模越大，其造价越低，这就是所谓规模效应。这种规模效应将使风电场单位千瓦的配套设

施相对地下降，如与电网配套设施的建设费用等。

③风电场选址，这也直接关系到风电场的经济效益。风电场选址、风电机组定位都选得适当，那么风电场就可以多发电量，风电场的经济性就好，若风电场选在交通便利的地方，运输成本就可下降等，这些也将使风电场的建设成本下降。

从中国目前风电场单位千瓦的造价看，其总趋势在不断地下降之中，例如，20世纪90年代中期，中国风电场的单位千瓦造价，还高达10000多元/kw，但到了21世纪初，单位kw的造价已降到8000多元/kw，这说明中国风电事业在近12年中，有了长足的进步，也为今后的大发展打下了基础。当然中国的风电场建设成本比起发达国家来，还有一定的差距，不过随着中国风电机组制造水平的不断提高和风电场建设经验的不断积累，其造价将进一步地下降。

(2)风电机组的制造技术：

风电机组是风电场的发电设备，也是风电场的主要设备，其投资约占风电场总投资的60%～80%，因此风电机组的制造水平将直接反映一个国家风电的发展

水平。

自20世纪70年代中、后期开始，中国真正进入了现代风力发电技术的研究和开发阶段。在这一阶段中，经过单机分散研制、重点攻关、实用推广，以及系列化和标准化等工作之后，使中国的风力发电技术无论在科学研究方面，还是在设计制造方面均有了不小的进步和提高，同时也取得了明显的社会效益和经济效益，主要解决了边远无电地区的农、牧、渔民的用电问题。但其风电机组的单机

容量仅为几百瓦到10kw，也均属独立运行的风电机组。

到了20世纪80年代，主要集中在研制并网型的风电机组上，并且陆续制造出从几十kw到200kw的机组。但由于这些风电机组自行研制周期长，又赶不上市场对更大容量风电机组的需求，因此大部分样机均来不及改进和完善并转化为商业性机组。在这种情况下，为了尽快提高中国风电机组的制造水平和满足市场的需求，国家采取了以下两条措施：①引进国外成熟技术，吸收消化，以提高国产化机组的制造技术。例如，已通过支付技术转让费的方式，从国外引进了600kw机组全套制造技术。目前，国内有关的风电机组制造厂家的风电主机生产企业，已研制出600kw机组的关键部件，如发电机、齿轮箱和叶片等，并且600kw的机组其本地化率已可达90%。②采用与国外公司合作生产的方式引进技术，并允许国外风电机组制造厂商在中国投资设厂。如国际著名的叶片制造商丹麦的lm公司就在天津独资设厂生产。而中国风力发电的大发展将为这些企业提供良好的机

遇。

4中国风电的发展前景

(1)发展风电的必要性：

前面已经提到，中国有丰富的风能资源，这为发展中国的风电事业创造了十分有利的条件。但就中国目前电力事业而言，火力发电仍是中国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，正在大量排放co2和so2等污染气体，这对中国的环保极为不利。而发展风电，一方面有利于中国电源结构的调整；另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。同时，又有利于减少能源进口方面的压

力，对提高中国能源供应的多样性和安全性将作出积极的贡献。

(2)国家对发展风电的政策支持：

由于风电场建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。在这种情况下，为了支持发展风力发电，国家曾给

予多方面政策支持。

例如，1994年原电力工业部决定将风电作为电力工业的新清洁能源，制定了关于风电并网的规定。规定指出，风电场可以就近上网，而电力部门应全部收购其电量，同时指出其电价可按“发电成本加还本付息加合理利润”原则确定，高于电网平均电价部分在网内摊消。为了搞好风电场项目的规范化管理，又陆续发布了一些行业标准，如风电场项目可行性研究报告编制规程和风电场运行规程

等。有了上述的政策支持，从此风电的发展便进入了产业化发展阶段。与此同时，国家为了支持和鼓励发展风电产业，原国家计委和国家经贸委曾

提供补贴或贴息贷款，给建立采用国产机组的示范风电场业主。

(3)发展风电的展望：

据不完全统计，2003年年初在建项目的装机容量约为60多万kw，其中正在施工的约有10万kw，可研批复的有22万kw，项目建议书批复的有32万kw，包括两个特许权项目。如果这些项目能够如期完成，那么到2005年底合计装机

可超过100万kw。

预计“十一五”计划期间(2006～2010年)，全国新增风电装机容量可达280

万kw，因而累计装机总容量约可达400万kw。

5结束语