本科毕业设计论文直驱式永磁风力发电系统设计.docx

1、本科毕业设计论文直驱式永磁风力发电系统设计直驱式永磁风力发电控制系统设计泮斌斌 (浙江海洋学院 机电 学院，浙江 舟山 316000)摘 要风力发电作为绿色能源在全世界迅速发展，这是解决世界能源危机的重要途径，在这个背景下本文对直驱式永磁风力发电控制系统进行了应用设计。 本文以风力发电的工作原理等基础理论为基本理论，得到一种控制风能的利用效率的变桨控制的基本控制策略；通过比较当前流行的几个风力发电机组的结构和不同控制方案之间的不同特点；分析了直驱式永磁风力发电的性能和特点，最终得出本机组需要采用以“同步高速、无刷励磁旋转、全功率的逆变为核心的技术路线。本论文最后完成了风力发电机控制系统的设计，

2、以控制系统所要实现的功能为基础，根据控制系统的要求，分析了系统输出和输入的信号，简单阐述了组成控制系统的硬件系统的可编程处理器和最主要的控制信号变送器，确定了传感器的类型以及各硬件的配置；以这些为基础讨论了一些控制系统的控制策略，研究设计了主程序的流程图，变桨距控制图，并详细的研究了变桨距的控制过程，得出了控制原理和结构组成。关键词：风力发电机；控制系统；变桨控制ABSTRACTWind power as the rapid development of green energy in the world, it is important to solve the world energy c

3、risis means, in this context of this paper, direct-drive permanent magnet wind power control system for the application design.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 str

4、ategy for pitch control. 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 performance and features, and ultimately come to the unit needs to ado

5、pt a synchronous high-speed, brushless rotary, full-power inverter technologyas the core line.Finally completed the wind turbine control system to control system functions to be achieved, based on the control system according to the requirements of the system output and input signal composed of a si

6、mple control system described in the programmable hardware system The main control signal processor and transmitter, to 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 program

7、 flow chart, variable pitch control charts, and detailed study of the pitch control of the process, obtained the control principle and structure.KEY WORDS：wind turbine；control system；pitch control目录第一章 绪论 111引言 112风力发电在国内外发展现状和趋势 11.3 风力发电原理 51.4 风力发电机结构 61.5 选题依据和意义 6第二章 风力机的相关理论及本系统的结构 921风电机组的工作原

8、理 922风力发电机组的分类 102.2.1 水平轴风力发电机 102.2.2垂直轴风力发电机 102.3并网型风力发电机组 112.3.1双馈风力发电系统 112.3.2直驱式风力发电系统 122.3.3三相同步发电系统 13第三章 直驱式永磁同步风力发电系统 143.1概述 143.2变桨距系统控制 14第四章 风电机组控制系统的设计 1741风力发电机电动变桨控制系统硬件结构 1742 变桨系统的控制策略 1843控制系统的软件设计 184.3.1变桨控制系统软件设计 194.3.2 偏航控制系统软件设计 214.3.3故障报警和联锁保护 22第五章 总结与展望 23致谢 24参考文献

9、25第一章 绪论11引言 发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等一些可以再生的能源作为对新世纪气候变化和能源双重的挑战的一个重要手段。但是除了水能之外的其他可再生能园之中，风能毫无疑问是世界上所公认的最最接近商业化的技术之一和其他可再生能源相比，风能的经济性最明显，而且产业化的基础最好，也不存在生物能的资源约束问题，另外也没有其他大的环境影响，在可预见的时间内（20302050年），都将是最有可能大规模发展的能源资源之一18。12风力发电在国内外发展现状和趋势 风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂 暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、

10、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于075千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。 在过去的5年间，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能源的地位。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%，新增装机容量年平均增长率为36.1。根据丹麦BTM咨询公司

11、报告，2009年全球有超过3810.3万kW的新增装机容量并入电网，营业总额达到500亿欧元。截至2009年底，全世界风电累积装机总容量约为1.6亿kW，同比上年增长31%.目前，风电的年发电量约3400亿kWh，风力发电量已经占到世界总发电量的2% 以上。在累计装机容量上，欧洲仍然是风力发电市场的领导者，截至2009年底，其累积装机总容量为7655.3万kW，占全世界风电总装机的47.9%，提前超额完成了到2010年风电装机容量达到4000万kW的目标。但是，在2009年新增装机容量方面，欧洲只占28.2%，北美洲达到39.3%，亚洲达到30%0，欧洲已经失去其领先的地位了，中国和美国成了推

12、动全球风电产业的火车头。目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。未来的20年之内什么将会是世界上发展速度最快的能源呢，毫无疑问一定是风电。 目前近海风电场的开发主要在欧洲的丹麦、英国、荷兰、瑞典、爱尔兰、德国等国家。到2009年底，已有834台共211万kW的风电机组在海上风电场投入运行，约占全球累计风电装机容量的1.3%. 2009年新增海上风电场9个

13、，新增海上装机容量68.9万kW，新增海上风电机组224台，最小单机功率为2MW，最大装机功率5MW。其中：英国新建3个海上风电场（30.6万kW)、丹麦一个(20.7万kW)德国一个(6万kW)。 1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电

14、需要。 今年一季度，我国风力发电量达到188亿千瓦时，增长60.4%。这一数据表明，风电发展依然延续着“十一五”时期高速发展的态势。经过30多年、尤其是“十一五”的快速发展，我国风电取得了辉煌成就，目前，我国已成为世界第一风电大国。我国风电高速发展背后有着怎样的原因？目前风电发展面临哪些制约因素？“十二五”时期风电产业应如何转变发展方式，促进我国实现从“风电大国”向“风电强国”的转变？记者就这些问题采访了国家能源局有关负责人和风电企业代表。 国家能源局数据显示，今年一季度，我国风力发电量达到188亿千瓦时，增长60.4%，增速居各大能源发电之首。“风电投产容量和电网的优化调度是一季度风力发电迅

15、速增长的两大主要因素。”国家能源局可再生能源司副司长史立山分析。此外，北方供热期基本结束，保证热电联产和居民用热的那部分电网调度被释放出来，也为风电调度腾出了空间。一季度风电发展与“十一五”风电高速发展趋势不谋而合。“十一五”期间我国风电装机容量连续5年实现翻番，成为世界第一的风电大国。截至2010年底，我国风电总装机容量已经超过4000万千瓦，已居世界第一位。“中国政府出台的一系列鼓励政策对风电发展起到了决定性推动作用。”神华国华能源投资公司董事长解建宁指出，“十一五”时期，我国陆续出台了可再生能源法及关于风电建设管理有关要求的通知、可再生能源中长期发展规划等一系列配套政策和实施细则，这些政

16、策为风电长远发展提供了法律保障。去年，我国用于可再生能源发电的补贴高达120亿元，这为风电发展打下了坚实基础。华能新能源股份有限公司执行董事兼副总经理何焱指出，在巨大市场需求的推动下，我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一，部分风电机组制造企业进入全球前十强，国内制造商已经占据中国市场份额的85%以上，龙源、大唐新能源及华能新能源等三家风力发电运营商位列全球前十。与此同时，我国风电装备制造企业的技术创新能力也在不断增强，初步实现了大功率风电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新，以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦

17、级风电机组下线和运行，都充分证明了我国的风电技术已达到国际先进水平。 据国家能源局测算,到2015年,我国风电装机将达到1亿千瓦,年发电量超过2千亿度,节约标煤约8000万吨左右,在整个能源中所占的比重将由2010年的0.5%增加到2%左右。 快速增长之后,行业和政府都已意识到,风电发展将进入转型和理性发展时期,在政策层面将不再一味发展大型风电基地,分散式开发和海上风电将成为下一步热点。“为促进风电规模化发展,过去提倡建立大基地融入大电网,但当前更希望在此基础上,支援资源不太丰富的地区,发展低风速风电场,倡导分散式开发”,史立山表示,分散式开发将是未来风电发展的一个方向。他表示,这并不意味着就

18、放弃原来的大基地路线,而是“两条腿走路”,让企业不要只关注大基地建设而是将眼光放在全国,如云南、安徽、湖北、湖南、江西、山东、山西等。他指出,过去风电投资过于集中在内蒙古和东北等地,在投资热潮中地方政府急功近利,对产业布局和技术进步造成不利影响,必须要保持合理的发展速度保留技术成熟的空间。未来行业发展也会更加朝科学精细化发展,注重提高质量和效率,海上风电也将是发展重点。中国利用风能己有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前东汉刘熙著作里有“随风张慢曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成， 山东省近些年来经济一直走在全国

19、的前列。但伴随着这一成绩而来的，是山东成了全国的用电大省。作为半岛的制造业基地，烟台更是用电大市。靠山吃山，靠水吃水。占尽“山水”优势的烟台人，在破解供电紧张的难题时，没有忘记自己的另外一个优势：风。站在“风口”的烟台人，自然抓住了这一有利时机。于是人们的目光开始投向风电。 烟台位于山东半岛东部，海岸线长、海岛多、高山丘陵多，风力资源丰富，发展潜力巨大。年平均风速在3.04.0米/秒之间，有效风能密度为178 瓦/平方米，有效风速为3810小时，总体属于风能比较丰富的地区，达到国家三类风场标准。特别是位于辽东半岛和胶东半岛峡口地带、作为全国三大风场之一的长岛，正处于渤海海峡风道上，其指标要远远

20、高于这个平均数字。据测定，年平均风速6.86米/秒，有效风速（325米/秒）达8279个小时,平均有效风功率密度为每平方米325瓦。1998年，烟台第一台风力发电设备在长岛建起，次年9月正式并网发电。该项目填补了山东省电力行业绿色能源的空白，成为全省第一个商业化运行的风电场。如今，华能长岛中电公司、长岛联凯风力发电公司逐年围绕风力发电科技创新， 发展最大、最具可持续发展能力的生态工业项目。除此之外，莱州、蓬莱、龙口、海阳、栖霞等区市年平均风能密度也在150200 瓦/平方米之间，完全可用于并网型发电。 在中国，风能发电是非常有前景的行业，这现在是一个很热门的话题。中国的可再生能源法规定了电力企

21、业中可再生能源应该占一定比重。去年，我们在沈阳的风机组装厂已经投产，将为中国和亚洲日益增长的风电行业提供支持。此外，我们还希望能够在核能和太阳能等可再生能源领域有更多的发展。在环境保护方面，中国必须以一种低成本、高效益的方法来解决这些问题。由于风能是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用。这就给了中国一个走在世界前头的机会。风力发电是可再生的绿色能源，发电过程不产生任何污染物，风能利用作为朝阳产业充满了巨大的商机和经济效益。风能是对人类生存环境影响最小的能源。除此之外，风能资源非常丰富，取之

22、不尽，用之不竭。国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国内外市场发展风力发电。“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。 我国能源结构及能源可持续发展必须满足国民经济可持续发展的要求。为此,大力发展风电和快速提高风电设备制造技术水平是我国能源建设的当务之急。省（自治区、直辖市）和地区2008年累计2009新增2009年累计内蒙古3650.995545.179196.16河北1107.71680.42788.1辽宁1224.261201.052425.31吉林1066.46997.42063.86黑龙江836.3823.451659

23、.75山东562.25656.851219.1甘肃639.955481187.95江苏645.25451.51096.75新疆576.81443.251002.56宁夏393.2289682.2广东366.89202.45569.34福建283.75283.5567.25山西127.5193320.5浙江190.6343.54234.17海南58.2138196.2北京64.588152.5上海39.4102.5141.9云南78.7542120.75江西424284河南48.7548.75湖北13.612.7526.35重庆13.613.6湖南1.653.34.95广西2.52.5香港0.8

24、0.8小 计12019.613803.225805.3台湾地区358.1577.9436.05总 计12377.7513881.126341.35图1.1中国风能专业委员会 2010年统计1.3 风力发电原理风能资源丰富区：包括新疆克拉玛依、甘肃敦煌、浙江舟山、福建平潭等地区，风能功率密度在200300瓦/米2以上，有的可达500瓦/米2以上。风能资源较丰富区：包括青藏高原的班戈地区、唐古拉山，西北的奇台、塔城，华北北部和东北一些地区（即通常所说的“三北”丰富带），以及沿海的烟台、莱州湾一带。内陆个别地区由于湖泊和特殊地形的影响，形成一些风能丰富点，如鄱阳湖附近地区和湖北的九宫山、利川等地区。

25、目前，全球都面临着能源挑战，气候变化，日益增长的能源需求，能源安全问题得到广泛关注。风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。1.4 风力发电机结构风力发电机由机舱、塔架和叶轮组成。风的作用使叶轮旋转，而叶轮转动带动发电机，最后发电机产生电 控制器：风机的控制装置就是一台计算机，它能检查各个部件的工作状态，如果某个部件停止了工作，控制器就通过计算机向中央监控室报告故障。电缆：机舱内发电机产生的电流通过电缆线进入控制柜。梯子：所有塔架内都有一个梯子，使你能够爬到机舱上，梯子接近塔壁，以便于在你爬下或者爬上梯子时可以用后背紧靠塔壁，以保证安全。 灯

26、：塔架没有朝外的窗户，因此塔架内的照明很重要。 法兰：法兰上的螺栓保证塔架上的各个部分紧密相连。平台：塔架内有2个或者3个的平台供维护人员休息。 叶轮：叶轮被固定在大的主轴上，大的叶轮有三个吸收风能的叶片，风速足够大的时候就会驱动叶轮旋转。主轴：主轴与齿轮箱连接，叶轮用很大的力使得主轴转动，因此轴必须足够粗！ 偏航轴承：巨大的齿轮环被安装再机舱下部、塔架内，齿轮环与偏航电机的齿相啮合，这样使得机舱偏航对风。偏航电机：偏航电机将机舱转动以便使叶轮准确对风！齿轮箱：大型风机叶轮的旋转速度再每分钟27转左右，而发电机的转速要在每分钟1500转左右，因此就需要齿轮箱将27转变为1500转。机械刹车：当

27、风机需要被维修或者例行维护时，机械刹车将叶轮锁定，使其停止转动。高速轴：高速轴将来自齿轮箱的能量传递到发电机，此时高速轴的转速达到每分钟1500转发电机：发电机达到转速后开始产生电流，电流通过粗的电缆被送到塔架下面的控制柜。散热器：发电机高速转动时产生热量，如果温度过高发电机就会损坏，这就是为什么电机需要冷却。在一些风机上采用水冷方式，而散热器再将水冷却风速仪：风速仪用来测量风的速度，它将风速信息传到控制器中。风向标：风向标随风向摆动，他告诉控制系统风的方向，计算机启动偏航电机偏航使叶轮对风。控制器：风机控制柜是一台能控制风机各个部件的计算机，计算机使机舱偏航对风，当风速仪所测风速达到某一定值

28、时，计算机发出命令释放刹车，使叶轮转动。1.5 选题依据和意义 风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。 风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，随着商业化程度和市场竞争力的不断提高，作为风能主要利用形式的风力发电已经成为当今世界最主要的可再生能源技术之一。目前，风电在全球100多个国家和地区都有应用，在电力供应中占有很高的比例，例如丹麦的风电已超过整个电力供应的20%，西班牙达到了14.3%。未来各国风电发展目标更加宏伟，丹麦计划2025年风电占到整个电力的50%，美国提出了2030年风电占整个电力的20%目标，欧盟2020年2

29、0%可再生能源电力的目标中将有一半来自风电。 我国幅员辽阔、海岸线长，风能资源非常丰富。中国气象局最新调查结果显示，我国海陆50米高度处风能潜在可开发量约为25.8亿千瓦，开发潜力巨大。经过30多年、尤其是“十一五”这5年的快速发展，我国风电取得了辉煌成就。 据初步统计，2010年我国风电新增装机超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，“双居”世界第一。在巨大市场需求的推动下，我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一，部分风电机组制造企业进入全球前十强，国内制造商已经占据中国市场份额的85%以上，并开始出口海外。我国风电装备制造企业的技术创新能力也不断增强，初步实现了大功率风

30、电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新，以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦级风电机组下线和运行，都充分证明我国的风电技术已达到国际先进水平。市场规模的迅速扩大和技术创新能力的快速提升也促进了我国风电产业的全面发展，一个集原材料、零部件、整机和服务业的完整产业体系已初具轮廓。 我国已形成了以可再生能源法为核心的风电政策体系，电价更加合理、发展目标更加清晰、发电企业与电网的责任更加明确，为风电发展提供了非常有利的政策环境。已经取得的成绩证明，资源、产业以及政策完全可以支撑风电在我国节能减排中担当重任。更长远地看，这些有利条件还可能

31、支撑风电逐步迈向我国主流电源行列。 不过，我们也应看到，风电在我国电源结构中的比重仍不到1%，很多人仍然没有意识到风电在未来以“科学、绿色、低碳”为特征的新型能源体系中的重要作用，并网和应用依然是近期风电发展的最主要障碍。站在目前4000万千瓦装机的新起点上展望未来的风电蓝图，壮志满怀之余，各方还应合力解决以下五个问题，才能在新的征程上实现我国风电产业又好又快发展。 第一，发展和应用清洁能源是每个人的社会责任，要通过普及宣传，让全社会都认识到，加强包括风电在内的可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，是人类社会实现可持续发展的必由之路，从而为风电发展营造良好的舆论氛围。 第二，欧洲的经验表明，风电并网和应用的主要障碍是观念和利益协调问题，要通过政策完善和体制机制创新，理顺利益结构，协调风电与其他行业的发展关系，破解风电并网瓶颈。 第三，创新是企业、行业乃至国家竞争力的源泉，要珍惜巨大风电市场带来的机遇，通过加大科研投入、建立国家公共技术研发和测试平台、加快人才队伍建设等措施不断完善