风力发电机偏航系统控制.docx

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风力发电机偏航系统控制

摘要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。

风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染，具有较好的经济效益和社会效益，越来越受到各国的重视。

由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。

偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。

风力发电机组的偏航控制系统，主要分为两大类：

被动迎风偏航系统和主动迎风系统。

前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。

后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。

本文设计是大型风力发电机组根据风速仪、风向标等传感器数据，对风、制动、开闸并确定起动，达到同步转速一段时间后，进行并网操作，开始发电。

本文介绍了风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上，采用PLC作为主控单元，设计了风电机组的偏航控制系统。

系统根据风向、风速传感器采集的数据，采取逻辑控制主动对风，实现了对风过程可控。

论文给出了基于风向标、风速仪的偏航控制系统的软硬件设计结果。

关键词：

风力发电机；风向标；偏航控制系统；驱动机构

Windturbineyawcontrolsystem

Abstract

Energy,theenvironmentisthedevelopmentofhumansurvivalandtheurgencyoftheproblemtobesolved.Windpowerasanewsourceofenergyforsustainabledevelopment,notonlycansaveconventionalenergysources,andreducingenvironmentalpollution,goodeconomicandsocialbenefits,ever-increasingimportanceattached.

Asthewindwithalowenergydensity,randomandnon-stabilitycharacteristicsofwindturbineiscomplexandever-changingamountofnonlinearuncertainsystems,therefore,thecontrolunittechnologyisthekeytosafeandefficientoperation.Yawcontrolsystemasahorizontalaxiswindturbinecontrolsystemforanimportantpartof.Thewindturbineyawcontrolsystemisdividedintotwocategories:

passiveandactiveyawwindwindsystems.Inthispaper,thedesignisbasedonlarge-scalewindturbineanemometer,windvane,suchassensordata,onthewind,braking,anddeterminethestartinggateopeningtosynchronousspeedforsometime,andnetworkoperationstobeginpowergeneration.

Inthispaper,thewindturbineyawcontrolmechanism,drivemechanism,basedontheuseofsingle-chipPLCasthemaincontrolunit,designedforwindturbineyawcontrolsystem.Systemsbasedonwinddirection,windspeeddatacollectedbysensors,logiccontroltotaketheinitiativeonthewind,toachievecontrollabilityofthewindprocess.Papersaregivenbasedonthewinddirection,windspeedsensoryawcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign.

Keywords:

Windturbine；Windvane；Yawcontrolsystem；Drivemechanism

目录

摘要I

AbstractII

第一章概述1

1.1课题的背景和意义1

1.2国外风力发电的发展3

1.2.1世界风电资源的开发与利用3

1.2.2世界风力发电现状3

1.2.3世界风电发展最快的地区6

1.3国内风力发电的发展9

1.4风电发展的展望12

第二章风力发电机组系统构成及功能简介14

2.1传统风力发电机14

2.1.1笼型异步发电机14

2.1.2绕线式异步发电机14

2.2现代风机15

2.3风力发电的原理16

2.4风力发电机系统组成部分简介18

2.4.1风力机桨叶系统18

2.4.2风力机齿轮箱系统19

2.4.3发电机系统20

2.4.4偏航系统21

2.4.5解缆装置21

2.4.6刹车系统22

2.4.7塔架22

2.4.8控制系统22

第三章偏航控制系统功能和原理24

3.1偏航控制系统的功能24

3.2偏航控制原理24

3.3风向、风速信号的采集26

3.3.1风向测量26

3.3.2风速的测量27

第四章偏航控制系统功能和原理31

4.1偏航系统的组成31

4.2偏航控制机构31

4.2.1风向传感器31

4.2.2偏航控制器33

4.2.3解缆传感器34

4.3偏航驱动机构34

4.3.1偏航轴承35

4.3.2偏航驱动装置37

4.3.3偏航制动器38

第五章偏航控制系统设计及结果分析40

5.1偏航系统控制过程分析40

5.1.1自动偏航40

5.1.290度侧风控制41

5.1.3人工偏航控制42

5.1.4自动解缆43

5.1.5阻尼刹车44

5.2偏航控制系统硬件设计44

5.2.1偏航控制系统总体设计结构与思想44

5.2.2偏航控制系统硬件电路图45

5.2.3偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理46

5.3偏航控制系统软件设计47

5.3.1偏航控制系统设计流程图47

5.3.2主程序48

5.3.3结论与分析57

第六章总结与展望58

6.1全文总结58

6.2展望59

参考文献60

致谢61

概述

课题的背景和意义

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。

在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。

所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。

它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。

在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风能是一种干净的可再生能源。

太阳辐射对地球表面的不均匀性加热是风的主要成因。

空气从高气压区向低气压区流动就产生了风。

地球自转、公转的影响和地形、地貌的差异，加剧了空气流量和流向的变化，造成风速和风向的变化。

地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。

风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。

风力发电的优越性可归纳为五点:

（1）风力发电是一种洁净的自然能源。

风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。

风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。

核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。

（2）风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。

（3）由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降，见表1.1。

表1.1各类能源成本比较

电力种类

平均成本

（美分/千瓦﹡每小时）

电力种类

平均成本

（美分/千瓦﹡每小时）

煤电

4.8~5.5

天然气发电

3.9~4.4

核电

11.1~14.5

风电（返税前）

4.0~6.0

水电

5.1~11.3

风电（返税后）

3.3~5.3

从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电和核电。

若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。

（4）风力发电场建设周期短。

单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。

建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。

（5）风力发电占地面积少。

塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。

由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。

自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%提高到98%以上;并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制;风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。

风电的迅猛发展已经形成了规模巨大的产业，因此它还可带动一批相关产业和产品的发展，对促进国民经济的发展具有重要的意义。

国外风力发电的发展

世界风电资源的开发与利用

随着我国经济持续升温,煤、石油等不可再生能源日趋紧张珍贵,环境压力愈来愈大。

世界各国寻找新的能源途径,其中风能开发是许多国家高度重视的领域。

据估算,地球上的风能资源是地球水能资源的10倍,高达每年53万亿kWh,目前已经被开发的只是微不足道的一部分。

世界电力需求预计到2020年会上升到每年25.578万亿kWh,可见,如果50%的风能资源被利用,则可满足世界电力需求。

风力发电是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。

风力发电不消耗矿产资源,发电过程对环境没有破坏影响,在强调可持续发展、保护环境的今天,风电已经成为人们普遍欢迎的清洁能源。

2005年底,全球可再生能源的增长中,风电的增长水平几乎与大水电持平,排在第二位,新增装机容量1150万kW,增长24%,总装机容量达5900万kW。

新增装机容量一半以上集中在美国（240万kW）、德国（180万kW）和西班牙（180万kW）,总装机容量位列前四位的是:

德国（1843万kW）、西班牙（1003万kW）、美国（915万kW）、印度（443万kW）。

预测未来数年内,全球风电装机容量的年均增幅在20%以上。

2006年全球风力发电设备的功率达到了15000MW。

这样创记录的功率相当于15个大型常规发电厂发电能力的总和2006年风力发电发展最快的国家是美国,一年内功率增加了2454MW。

2009年之后风电竞争力进一步加强。

撇开更好的经济环境不谈,主要的驱动力在于京都议定书的实施,采用了绿色电源以降低温室气体排放,另一个重要的驱动力在于供应设备的安全性,使风力发电设备在全球能源设备中脱颖而出。

预计到2014年底,全球累计安装量达235000MW,风电占全球总供电量市场的2.3%（根据IEA在WorldEnergyOutlook2004）。

世界风力发电现状

地球上蕴藏的风力资源十分丰富，据专家们估计，地球上可接收到的太阳能大约2%转化成风能，装机容量就可达10TW，每年可发出13PW.H的电量。

如果10%的风能得到利用，那么全球的电力需求基本就能得到解决。

近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。

风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势。

主要呈现为以下几个特点：

（1）世界风电工业高速发展

根据全球风能委员会报告，2005年全世界新增风电装机容量11769兆瓦，比上年增加3562兆瓦，增长43%；新增风电总投资达120亿欧元或140亿美元。

截至2005年底，世界风电装机总容量为59322兆瓦，同比上年增长25%。

见图1.1。

目前，已有48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。

2005年，世界风电装机容量前6位的国家，依次为德国18428兆瓦、西班牙10027兆瓦、美国9149兆瓦、印度4430兆瓦、丹麦3122兆瓦和意大利1717兆瓦。

其他一些国家包括英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的风电装机容量都达到了1000兆瓦。

2005年就新增装机容量而言，世界前6位分别为美国2431兆瓦，高居首位；其次是德国1808兆瓦；其他依次为西班牙1744兆瓦、印度1430兆瓦、葡萄牙500兆瓦和中国498兆瓦。

截至2005年底，欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量为40500兆瓦，占全世界风电总装机的69%，比上年增长18%，约提供了欧盟近3%的电力消费量，提前实现了到2010年风电装机容量达到40000兆瓦的目标。

预期到2010年，仅风能即可实现欧盟所承担《京都议定书》二氧化碳减排义务的三分之一。

全世界风力发电每年以30%左右的速度增长，据预测，到2020年风力发电将占世界电量的20%。

截至到2006年10月世界风电总装机容量如图1.1所示。

风电装机容量（GW）。

图1.1截止到2006年10月世界风电总装机容量

截止到2005年12月世界累计风电装机最多的10个国家（兆瓦），见表1.2。

表1.2截止到2005年12月世界累计风电装机容量最多的10个国家

（2）风电成本逐年降低

尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的。

随着风电技术的改进，风电机组越来越便宜和高效。

增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。

随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。

风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。

单就过去5年而言，风电的成本已经下降了20％。

在一些平均风速7m/s的地方，每千瓦装机成本为700欧元时，风电便可以与燃气发电竞争。

根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981～2002年间，风电成本由15.8欧分/kWh下降到4.04欧分/kWh，预计2010年度电成本下降至3欧分/kWh，2020年降低至2.34欧分/kWh。

随着技术设备的改善，成本还可以在目前的基础上再减少30%-50%。

（3）海上风电悄然兴起

海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。

多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。

到2003年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机600MW，集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。

目前最大的海上风电场是位于丹麦南海岸的Nysted风电场，容量为165.6MW，由72台Bonus2.3MW海上风电机组组成，于2003年12月开始发电。

预计到2010年，欧洲海上风电的装机容量将达到10000MW。

世界风电发展最快的地区

目前全球风力发电量占世界总电量的0.5%。

全球风能委员会公布,2005年全球风能发电新增装机容量1176.9万kW,大大超过了2004年的820.7万kW,全球风能发电总装机容量已有5932.2万kW,比2004年提高了25%。

其中,德国风能利用居全球之首,装机总容量1842.8万kW,之后依次为:

西班牙、美国、印度和丹麦。

根据欧洲风能协会、绿色和平组织在近期发布的一份报告,2020年,风力发电将占世界电力总量的12%,世界风电产业发展迎来“黄金时代”。

1·欧洲

据最新数据,欧洲是全球风力发电市场的大户,截至2005年底,其装机容量为4.1亿kW,占全世界风电总装机的69%,仍然保持领先。

2005年欧洲新增装机617万kW,增长18%。

德国和西班牙的风电装机分别为1843万kW和1003万kW,列世界前两位,分别增长10.8%和21.3%。

德国是发展和利用风能较早的国家,自上世纪90年代以来,德国总共建立了6600座风力电站,无论是年新增装机容量,还是总装机容量,始终保持领先地位。

德国政府计划,今后每年都将以30%的速度增长,每年增长的风力发电量超过1000MW。

丹麦靠近北海,是多风之国,也是最早发展风力发电站的国家。

20多年来,丹麦在利用风能方面一直处于领先地位。

20世纪90年代以来,特别是近10年,丹麦风力发电量的增长率均在30%以上。

目前,英国走在世界海上风能行业的前沿,分别处于各种不同开发阶段的项目有8700MW,致力于在2008年超过丹麦成为海上风机装机容量最多的国家。

英国拟建设世界上最大的沿海风电场,该风电场距苏格兰海岸20英里。

能源部长维克斯称,政府同意建设两座巨型沿海风电场,这是雄心勃勃深海风电场建设的第一阶段。

它将使用两台世界上最大的风电机,以检测深海风电技术和经济上的可行性。

该项目最终将建设由200台以上风电机组成的世界上最大的沿海风电场。

由于风电工业发展比预期的要快,到2010年底为止,英国的海岸风力发电将占全国发电总量的5%,可满足300万个家庭的电力需求。

欧洲近年来风力发电设备生产已进入快速增长时期。

除德国外,荷兰、丹麦、瑞典、法国、挪威、芬兰、意大利和西班牙等国家也出台了5年、10年风力发电普及计划。

2·北美

美国风能行业2006年新增装机容量2454MW,投入大约40亿美元,风能连续第二年成为仅次于天然气发电的发电形式。

算上新建成风力发电场,美国现在风电装机容量已比2006年8月达到里程碑的1万MW还高出了27%,达到了11603MW。

德克萨斯州的风电装机量占到美国2006年全国新增风电装机总量的三分之一,现已超过加州成为风电装机量最大的州。

德克萨斯州还拥有世界上现役最大的风电场,安装有735MW的风机设备。

美国现有的风能发电设备每年可以生产大约310亿kWh的电力,可满足290万个美国家庭一年的用量。

使用这种完全清洁的电力可每年减少二氧化碳排放量2300万t。

据报道,美国将利用其技术和装备优势,使风能发电发挥更重要的作用。

美国能源部新能源管理机构最近指出,尽管目前风能发电仅占全美电力生产比重的1.5%,但这一比重在2010年可达9.5%,2020年后可达15%。

近年来,美国风力发电技术已有重大改进,主要表现在:

改进了风力发电设备的叶片设计,普遍使用风向传感元件、采用自动控制系统,减少了人力和降低了成本。

美国政府正在大力推动风力发电设备制造业,使其成为21世纪重要基础能源装备产业。

据预测,2010年以前,美国以及欧洲将出现风力发电设备更新换代高潮,届时将有大批陈旧的风力发电设备被淘汰,因此风力发电设备市场前景十分乐观。

风电还得到了美国联邦和各州政府立法上的支持。

美国国会最近还将《联邦生产税抵免》（PTC）政策延长至2008年底,以鼓励美国国内建造更多的风电场。

美国风能协会正向国会申请将这一政策再延期5年。

2006年加拿大风电投资10亿美元,该国新能源总装机目前达到134.1万kW,足以为40.6万个家庭提供电力。

据加拿大风电协会的数字,2006年加拿大风电增加装机65.7万kW,比2005年的24万kW几乎增加2倍。

加拿大正处于风电发展高峰期,目前各省政府的目标是到2015年最少增加装机1万kW。

安大略省成为加拿大最大风电输出地,其次是阿尔波特省38.4万kW,魁北克省21.2万kW。

3·亚洲

近年来,亚太地区的风电规模出现显著增长,截至2005年底,亚洲风电装机为702万kW,占世界的11.9%,新增装机226万kW。

日本政府一再重申发展再生能源的重要性,仅1999~2003年日本与西欧有关风能开发技术、开展合作的项目就达55个。

印度风电发展超过了丹麦,风电装机世界排名第四,为443万kW,新增装机143万kW,增长47.7%,风电装机容量也占全国电总装机容量的3%。

预计2005年~2010年风电的增长率将达到27%。

目前,印度已经成为亚洲风电市场的领导者。

印度也是全球第五大风电市场。

根据其新能源资源部规划,到2012年可再生能源发电装机容量将达到24GW,其中一半是风电。

印度政府主要采取的是财政支持手段来发展风电,这也使得印度的风电设备制造业得到了高速发展。

印度的风机制造企业Suzlon市值已升至84亿美元,成为了一个全球性的企业,在印度占据60%的市场份额。

Suzlon公司2006年将向美国出口81MW风机,获得260亿卢比的海外订单。

法国里昂证券预计Suzlon公司2005年~2008年的销售增长率将达到55%,并且到2008年其国外销量将超过国内销量。

拉美也是世界上近几年风能开发利用进展较快的地区。

该地区的巴西、阿根廷、智利、委内瑞拉和巴拉圭,过去5年在风能开发方面的投资年均增长18.5%,高于亚洲地区。

风电的增长驱动因素主要包括以下四点：

一是风电设备成本降低、效率提高；二是中国、日本和印度等国不断改善其政策支持风电发展；三是由于石油和天然气成本高昂导致人们对能源安全问题越来越担心；四是风能利用有助于减少二氧化碳的排放量，尤其是用风电代替燃煤发电。

国内风力发电的发展

我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，10米高度层的风能资源总储量为32.26亿KW，其中可供开发利用的风能约为2.5亿KW。

有沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北（内蒙古、新疆、甘肃）两大风带，风的质量好，为开发风电提供了基础环境与条件。

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。

另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。

我国从70年代开始进行并网型风力发电的尝试。

1983年在山东荣成引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网型风力发电技术的试验与示范；1986年，在新疆达坂城安装了一台丹麦100KW的风力发电机组，1989年安装了13台50KW的风力发电机组；内蒙古安装了5台美国100KW的风力发电机组，开始了我国风力发电场的运行试验与示范。

1996年，国家计委实施了“乘风计划”，开始引进大型风力发电机，建设大型风力发电场。

到1996年底总装机容量为5.7676万KW。

1997年跃至10.88万KW；2001年为40.32万KW。

到2004年底，我国累计装机1292台，装机容量76.4万KW。

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