变速恒频风力发电机控制系统2

摘 要 当今对可再生能源的开发利用中，风能由于其突出的优点而成为研究的热点，风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择。目前各种风力发电技术的发展方兴未艾，其中变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。本文在传统风力发电技术的基础上，主要致力于研究变速恒频双馈风力发电技术，从改善运行性能及增强实用性的角度出发，对变速恒频双馈风力发电技术展开了比较全面的理论性研究。 通过查阅资料，首先 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了变速恒频风力发电的原理，并对风力发电机组的主要机型和控制技术做了简要概述。接着对变速恒频双馈风力发电系统的控制进行了研究，最后详细分析了该风力发电系统的结构以及基本原理，并提出了控制策略对其进行控制。在风力发电系统中，采用最大功率跟踪控制算法，能够有效地从风中获得最大能量。 关键词：变速恒频；尖速比；IGBT变流器；变桨距控制 目  录 摘  要    I 绪  论    3 1 风力发电机的基本结构和分类    4 1.1 风力机的结构    4 1.2 风力发电机组的分类    4 2 变速恒频风力发电技术    6 2.1变速恒频风力发电系统结构    6 2.2 变速恒频风力发电机组的运行原理    7 2.3双馈风力发电机基本原理    9 2.3.1 双馈发电机的运行状态    10 3 变速恒频风力发电控制系统的设计    11 3.1 变速恒频风力发电机组的运行状态分析    11 3.2 变速恒频风力发电机组电气控制系统的基本结构和功能    14 3.2.1 电气控制系统基本框图    14 3.2.2 系统功能    15 3.3 电气控制系统的实现方法    16 3.3.1 控制系统相关参数    16 3.3.2 硬件接口设计    18 3.3.3控制系统抗干扰设计    21 3.4 控制程序编制思路及流程图    22 参考文献    26 附录1变速恒频风力发电控制系统主控图    27 绪  论 随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护的日益加强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。同样有效地利用风能发电是当今世界关注的焦点。随着风力发电机组容量的变大，提高发电机组的运行效率成为风能利用的潮流，对于此类要求，变速恒频风力机组自然成为一种不容忽视的趋势。 风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从20世纪90年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。 技术创新使风电技术日益成熟。在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，而风电控制系统和保护系统广泛应用于电力电子技术和计算机技术。新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有具重大作用。 目前我国正在进行西部大开发。由于西部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，靠大电网去解决那里的用电问题是不够的，必须同时开发像风电这样的分散供电系统，才能将变速恒频风力发电技术研究的更好且能满足当地人民生产生活的需求。综上所述，开发利用风力资源，既可解决能源短缺，又可以优化能源结构，减少资源消耗和环境污染，减少温室效应等有害气体的排放，缓解全球变暖，保护环境。同时风力发电也有着巨大的社会效益和经济效益，因此，我们要树立正确的科学发展观，才能将风力发电提高到电力可持续发展的战略地位。 1  风力发电机的基本结构和分类 1.1 风力机的结构 风力发电是将风的动能转换为机械能，再带动发电机发电，转换成电能。风力发电机的样式虽然多，但其原理和结构还是大同小异。目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，由气动性能优异的叶片(一般为2-3个叶片)装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的塔架举起，由于变速恒频风力发电技术研究风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。如图1-1所示，其工作原理为当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，时轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有无齿轮箱式机组可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。 1：轮毂(装叶片) 2：传动系统 3：增速齿轮箱4：刹车系统5：发电机6：塔架7：风速风向仪 图1-1 并网型风力发电系统 1.2 风力发电机组的分类 按照不同的分类方式，风力发电机组可分为以下几种类型： 1. 按照风轮桨叶分类 (1) 失速型。高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率 (2) 变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。 2. 按风轮转速分类 (1) 定速型。风轮保持一定转速运行，风能转换效率低，与恒速发电机对应。 (2) 变速型 1）双速型。可在两个设定转速运行、风能转换率低，与双速发电机对应。 2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。 3. 按照传动机构分类 (1) 齿轮箱升速型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）。 (2) 直驱型。直接连接低速风力机和低速发电机（避免齿轮箱故障）。 4. 按发电机分类 (1) 异步型 1） 笼型单速异步发电机。 2）笼型双速变极异步发电机。 3）绕线式双馈异步发电机。 (2) 同步型 1） 电励磁同步发电机； 2）永磁同步发电机。 5. 按并网方式分类 (1) 并网型。并入电网，可省却储能环节。 (2) 离网型。一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载与柴油发电机、光伏电池并联运行。 2  变速恒频风力发电技术 2.1变速恒频风力发电系统结构 在变速恒频风力发电系统中，需要一种功率转换装置将发电机发出的电能控制为恒频。变速恒频风力发电系统图如图2-1所示，其主要组成环节及作用如下： (1) 风力机把风能转化为动能。 (2) 变速齿轮箱进行转速转换，将风机的低转速转化为发电机运行所需要的高转速。 (3) 风力发电发电机把风力机输出的机械能转变为电能。 (4) 发电机侧变流器由自关断器件(如GIR、IGBT、GTO等)构成AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。 (5) 直流环节：一般直流环节的电压控制为恒定。 (6) 网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电(如50Hz、690V的三相交流电)，并能有效的补偿电网功率因数。 (7) 通过变压器以及开关和保护设备，把电能变为高压交流电(如1l0kV或33kV等)。 图2-1 变速恒频风力发电系统 其中(3)～(5)可称为变频器，其能量流向在某些控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中是双向的，上述变频器为交一直一交变频器，变频器有许多不同的拓扑结构，根据不同的实际需要而加以采用。变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点： (1) 最大限度地捕捉风能。 (2) 较宽转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。 (3) 采用一定的控制策略可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用。 (4) 采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。 2.2 变速恒频风力发电机组的运行原理 风力机的作用是从空气中获取能量，将风能转化为动能。根据空气动力学的原理，风力机的功率与风速的三次方成正比，风轮叶片从风中获取的能量公式为： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） 其中 为空气密度，单位kg/ ； 为风速，单位m/s；A为风力机的扫掠面积，单位 ； 为风力机的输出功率系数(一般 =1/3-2/5，最大不超过16/27=0.59)，它是叶尖速比 和桨叶节距角 的函数； 为风力机机械角速度；R为风轮半径。在桨叶节距角 为一定时，对于一台确定的风力机，在桨叶节距角 不变时总有一个对应着最佳功率系数 的最佳时尖速比 ，此时风力机的转换效率最高。换而言之，对于一个特定的风速 ，风力机只有运行在一个特定的转速∞下才会有最高的风能转换效率。