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1、风力发电机控制系统毕业设计论文word格式风力发电机控制系统风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。1、蓬勃发展的风电技术风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈

2、的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。2、风力发电对控制系统的需求2.1高级语言编程能力由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供

3、了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术：2.1.1复杂控制算法设计能力传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统(OS)上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代

4、码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。2.1.2功能块调用PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库的调用，这对于风电这一集合了变桨运动控制、安全逻辑设计、液压控制的综合系统来说是再好不过的选择.变桨控制将考虑多个伺服的定位和同步关系，而safety为机组提供了多种安全回路设计以保护机组的安全可靠运行，液压控制被极其容易的集成到系统中而无需购置专用的液压控制模块。同时，PCC支持用户自定义库的封装设计，用户可以将其自身的核心算法封装为功能块来调用，这使得一方面代码的安全性得到了很好的保证，而另一方面，它也提供了针对不同机组

5、的系统调用，大大简化了软件的重构，支持快速开发。2.1.3All In One的设计理念- Automation StudioAutomation Studio设计初衷是建立在一种放眼整机控制而不是局部（只关心驱动或者逻辑，独立组件），30年的丰富OEM控制设计使得B&R深刻理解“整体”的意义，因此，其软件包设计为面向整个机器的各个对象（逻辑、运动、测量、通信、显示）和过程（配置、项目规划与管理、诊断、调试、维护）。对于B&R Automation Studio而言，控制器的设计、变桨伺服、液压控制、Safety技术、通信均在一个”All In One”的工具包Automation Stdui

6、o中实现，对于风力发电这样的综合多种控制需求的系统而言，Automation Studio提供了一个完整的工程设计与应用的平台，它使得代码生成、仿真分析、远程诊断与维护集成为一体，难道还有什么需要不能满足吗？抛开技术的因素，对于用户而言，一套软件即可实现所有的应用需求，这降低工程师的学习成本，也作为一个平台，为用户提供了长期持续创新的软件平台基础。风力利用史：人类对风能的利用已有几千年的历史，最初主要是利用风力提水灌溉，及海水晒盐和风力驱动的磨坊。这在当时是人类利用自然界的力量，利用风力和水力代替人力和畜力来驱动工作机械，提高了生产力。至于人类利用风能来驱动船只航行，则可追溯到更久远的年代。国

7、内小型风力发电机概况：我国较大规模地开发和应用风力发电机，特别是小型风力发电机，始于年代，当时研制的风力提水机用于提水灌溉和沿海地区的盐场，研制的较大功率的风力发电机应用于浙江和福建沿海，特别是在内蒙古地区由于得到了政府的支持和适应了当地自然资源和当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展。对于解决边远地区居住分散的农牧民群众的生活用电和部分生产用电起了很大作用。近年来，随着世界范围内对环境保护、全球温室效应的重视，各国都竞相发展包括风能在内的可再生能源的利用技术，将风能作为可持续发展的能源政策中的一种选择，不论对并网型的大型风力发电机和适用于边远地区农牧户的离网型小型风力发电

8、机都给予了很大的政策支持。我国目前已有安装并网的风力机的风力田24 处，总装机容量26.8万千瓦。小型风力机的保有量超过14万台，使我国成为世界上小型风力发电机保有量最多的国家。小型风力发电机组的组成：小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等，控制器、蓄电池、逆变器等。风轮：小型风力机的风轮大多用23个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。目前风轮叶片的材质主要有两种。一种是玻璃钢材料，一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制，在内腔填加一些填充材料，手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时，产品质量不易控制。国外小风机

9、也采用机械化生产等截面叶片，大大提高了叶片生产的效率和产品质量。发电机：小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机，由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏，另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。由于小型风力机的结构比较简单，目前一般采用叶轮侧偏式调速方式，这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动，从而引起风

10、力机的振动。因此，在风速较大时，特别是蓄电池已经充满的情况，应人工控制风力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构，另外在实践可采用侧偏停机方式，即在尾翼上固定一软绳，当需要停机时，拉动尾翼，使风轮侧向于风向，从而达到停车的目的。诚远风力发电最新研制出世界最小型风力发电机，其体积与600ML百事可乐瓶子一般大，重量仅为两公斤，而功率却达到了100w，绝无仅有，堪称世界之最 小型风力发电的市场潜力巨大进入2008年下半年以来，受国际宏观形势影响，中国经济发展速度趋缓。为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。作为节能环保

11、的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇。为全面推动经济社会发展，部分仍存在缺点、无电居民的地区加快小型风电发展步伐，加大了解决边远地区群众供电难问题的投资力度，有力推动了小型风电的进一步推广。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持快速发展。随着中国风电设备的国产化，风光互补系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本可望再降，经济效益和社会效益提升，小型风力发电市场潜力巨大。小型风电机组相关设备制造、小型风电技术研发、风电路灯等领域成为投资热点，市场前景看好。1.课题提出的背景 经济发展推动能源需求的持续增长，要求不断开发新的能源。人类日益增长的环境保护意识和提

12、高生活质量的需求，要求减少化石能源对环境的污染，优先发展清洁能源。我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸解决供电问题非常困难，而这些地区风力资源往往又比较丰富。充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善当地人民的生活水平，发展地方经济非常重要。风能具有随机性和不确定性，风力发电系统是一个复杂系统。简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。 2.小型风力发电系统最大功率控制的扰动法 本文给出由定浆距风力机、永磁同步发电机、不控桥式整流电路、boost斩波器、蓄电池、逆变器等组成

13、的小型风力发电系统结构。风力机直接耦合永磁同步发电机, 二极管整流桥路将永磁同步发电机发出的交流电整流后由电容滤波,变换成脉动的直流电，斩波器将脉动的直流电变换成恒压输出的直流电。在充电控制电路的作用下，斩波器输出的电流对蓄电池充电，直至使蓄电池充电到额定容量，同时斩波器对逆变器供电。在发电机发出的电不足时，蓄电池向逆变器放电，来补充电力。逆变器将直流电变换成额定频率的交流电直接供给用电负载或送给电网。由于风能是一种具有随机性、爆发性、能量密度低、不稳定性特征的能源，风速的变化会引起风力机转速的变化。用于风能捕获的风力机在不同风速下有一个最佳运行转速,此时对风能的捕获效率最高，为了优化系统功率

14、输出,风力发电机组需作变速恒频运行。在直接控制负载功率方法实现最大功率输出中，风力机与发电机输出特性相互匹配是提高风力发电系统转换效率的必要条件。本文提出实现最大功率控制的小信号扰动法。利用小信号扰动法可以实现系统平均功率达到最大值，而且方法简单，易于实现。 3.小型风力发电系统状态平均建模与分析 小型风力发电系统包含开关组件，文中利用状态平均建模方法对小型风力发电系统建模，对得到的非线性模型进行线性化，理论分析线性化后系统的静特性和频率特性，通过对系统频率特性的分析，给出了扰动信号幅值和频率的选取原则。 4.小型风力发电系统扰动法的仿真研究 基于MATLAB/SIMULINK环境建立系统仿真

15、模型，并进行了仿真研究，重点考察最大功率控制策略及参数对控制性能的影响，仿真结果验证了最大功率控制策略及分析方法的正确性和可行性，同时讨论了积分系数k对系统的影响。 本文的工作为最大功率控制扰动法在小型风力发电系统中的应用提供了理论依据,具有重要参考价值。 风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提

16、供了技术基础。控制系统的组成风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。控制系统结构示意图如下：针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系

17、统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。风力发

18、电机控制系统（二）控制系统技术风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行

19、效率和发电量。20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定；而发电机转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。20世纪90年代开始，风力发电机组的可

20、靠性已经大大提高，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全变桨距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。由风力发电机组的变桨距系统组成的闭环控制系统，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功

21、率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，使供电效率、质量有所提高。随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研

22、究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。风力发电机控制系统（三）控制系统的类型对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨距，形成多种结构和控制方案。根据浆叶的不同，分为以下三种：l 定桨距失速调节型风力发电机组 定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组

23、在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。2 变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；当发电

24、机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。3 主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。根据风机转速分有恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机

25、组的整体效率较低,而变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。风力发电机控制系统（四）变速恒频又根据发电机的不同分为以下几种：1 异步感应发电机通过晶闸管控制的软并网装置接入电网，并网冲击电流较大。另外需要电容无功补偿装置。控制电路简单。各大风力发电制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此类产品。2 绕线转子异步发电机对于绕线转子异步发电机可以

26、采用功率辅助调节方式，即转子电流控制（RCC）方式来配合变浆距机构，共同完成发电机输出功率的调节。在绕线转子输入由电力电子装置控制的发电机转子电流，可以加大异步发电机转差率（可到10），使得发电机在较大的转速范围内向电网送电。以提高异步发电机的风能利用率。风力发电机控制系统（五）3 双馈发电机双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位通过改变励磁频率，

27、可调节转速这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值。频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的。既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。下图是双馈电机控制简要框图。整个控制系统可分为：转速调整单元、有功功率调整单元和电压调整单元（无功功率调整）。它们分别接受风速和转速。有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值

28、。频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率；又可调节无功功率，有风时，机组并网发电；无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调。机组效率低等问题。同时，由于双馈电机对无功功率。有功功率均可调，对电网可起到稳压。稳频的作用，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的1020左右）、重量轻的优点。但这种结构也还存在一些问题，如控制电路复杂一些，不同的控制方法效果有一定差异。另外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。 目前国内有多家开发成功双馈电机控制系统，如兰州电机有限责

29、任公司与清华大学、沈阳工业大学合作研制的兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电系统控制设备，采用全数字化矢量控制方法。中科院电工研究所研制的兆瓦级变速恒频风电机组电控系统，该系统采用IGBT技术、双PWM双向可逆变流控制。风力发电机控制系统（六）4 永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机系统结构如图：由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这

30、样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群），比如ABB公司的“Windformer” 采用的是高压永磁直驱同步发电机（群），结构如下：单机容量为35MW，输出额定电压高达20kV，频率为510Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电，电压为12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。 永磁直

31、驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120以上。但使用IGBT逆变器也带来一些好处：使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。有功功率和无功功率的控制更为方便。大功率IGBT很容易驱动。IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA 电流，FZ3

32、600R12KE3 等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。 发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求发电机控制系统：尽可能产生较低的谐波电流，能够控制功率因数，使发电机输出电压适应电网电压的变化，向电网提供稳定的功率目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，二者各有优缺点。单从控制系统本身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简单，但要求逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，尤其是对有功、无功的控制，而且逆变器容量小得多。双馈型风力发电机组与永磁直驱风力发电机组的综合比较：风力发电机控制系统（七）风电机的运行控制 无功补偿控制 由于异步发电机要从电网吸收无