(完整版)第3章风能、风力发电与控制技术(1)
风力发电风机控制技术介绍(精品)
一、 1.5MW变桨双馈型风力发电机简介
能源是人类社会存在与发展的物质基 础。过去200多年，建立在煤炭、石油、 天然气等化石燃料基础上的能源体素系极 大地推动了人类社会的发展。然而人类在 物质、精神生活不断提高的同吋感悟到大 规模使用化石燃料所造成严重后果：资源 日益枯竭，环境不断恶化，因此人类注意 到大力开发一种凊洁、安全、可持续能源 系统——风力发电。
风电变频器的概念和方案
ABB Drives System AC
带滑环的双馈异步发电机
main contactor for normal on-off operation main circuit breaker for protection
gearbox 10...24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
ON
OFF OFF OFF
机舱柜模拟从站（右） 变桨系统(SSB or LUST)
405BC0
OFF ON
NPBA-12的Terminal switch的设置方法
按下前后的卡钳 拔出PCB电路板，需要注意不能完全拔出 把Terminal switch设置在需要的位置上 将PCB电路板推回直至卡钳卡住为止
1.3.1 Profibus站号如何配置
模块编号
变流器 塔底柜主站 101U0 103BC1 401BC1 405BC0 塔底柜从站 机舱柜数字从站（左） 机舱柜模拟从站（右） SSB变桨系统 LUST变桨系统
地址
2 1 11 20 22 3 30
如上图所示，靠上的地址选择开关×1， 靠下的地址选择开关×10，两者相加就 是该profibus站的地址。
1.3 工厂调试培训
风力发电机组控制技术
风
轮
吸
收
的
功
率d又P
dv2
等 0于
风v轮2 前13 v后1
动
能
（
单
位
时
间
）
的
变
化
：
Pm a x
8 27
Sv13
令两式相等，得
max
Pm a x E
16 27
0.593
第8页/共64页
第二章 风力机控制 一、风力机能量转换过程
有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机 效率有所下降。实际风力机曲线如下图所示：
3、 转矩系数CT 和推力系数CF 为了便于把气流作用下风力机所产生的转矩和推力进行比较，引入转矩系
数和推力系数。
式中
CT
T 1 v2 SR
2T v2 SR
2
F
2F
CF 1 v2 S v2 S
2
T —风轮气动转矩，N·m；
F —推力，N。
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第二章 风力机基本理论
二、风力机的主要特性系数
1000
0.5
800
0.4
功率输出/kW 功率/kW
600
0.3
Cp
400
0.2
200
0.1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 风速/（m/s)
t delay sc
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第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）
一、定桨距风力发电机组的特点
1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。
关于风力发电机及风力发电控制技术分析_0
关于风力发电机及风力发电控制技术分析风电技术涉及专业较广，包括计算机学、空气动力学、材料学等。
国内风能资源较为丰富，带动了风电行业的发展，风能利用对国家环境结构的调整具有极大影响，可有效调整能源结构，降低进口能源的依赖，对国家经济效益具有重大作用。
风力发电技术经过不断的完善和创新，逐渐成为新型清洁能源中重要组成部分，增速处于第一位，有助于推动社会进步和发展，带来更大的经济效益和社会效益。
基于此，本文分析了风力发电机及风力发电控制技术。
标签：风力发电机；风力发电；控制技术一、风力发电概述风力发电机一般包括两部分：风机部分、发电机部分。
根据风力发电机浆叶的功率调节方式，可分为定桨距机组、变桨距机组。
前者浆叶、轮毂相连接，外界环境风风速变化时，迎风角不发生改变；后者根据定桨距风机进行了改进，风机叶片可围绕中心轴转动，保证叶片迎风角可调。
两种机组相比，后者可在额定功率之外仍维持较高的平稳度，性能更突出，在大型机组中应用较多。
根据风力发电机组不同，发电机可分为：异步发电机、同步发电机。
确保变流机组的合理性便可保证设备维持稳定的变速运行状态。
二、风力发电控制技术（一）发展现状风力发电技术起源于19世纪，近年来相关技术逐渐趋于成熟。
国外西方发达国家的风力发电技术已经较为成熟。
在技术研发方面投入了大量资金，重点考虑了新材料、新工艺、通信技术等在风力发电系统中的应用，提高了风力发电技术的可行性。
尤其是大规模风能的利用方面更具优势，如海上风力发电，成为了传统能源发电模式的补充方法。
国内风力发电技术一般是集中在小型风力发电厂。
上世纪50年代主要工艺、材料应用方面尚未全面实现自主生产，发电机制造、电力并网等关键技术仍依赖进口。
导致国内大型风力发电设备一般成本高，研发受限。
90年代后，风电发展进入新阶段，电厂规模、机组容量大幅增加。
自从国家大力发展风能、太阳能等新能源后，风电技术相关研发成果逐渐增多，且技术水平提升较快。
风力发电机组控制技术教案(1)
第一章绪论能源是人类社会存在与发展的物质基础。
过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。
然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果；资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。
因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。
风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。
风能的开发利用已有数千年历史。
在蒸气机发明以前，风能就曾作为重要的动力，由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。
在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。
中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。
受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。
特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30％，从1993年的216万kW上升到2003年的4030万kW。
我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代，但系统的研究始于20世纪70年代。
20世纪80年代中期开始，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。
1986年山东荣成市建成中国第一个风电场，年均发电量为33万kwh，以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。
进入20世纪90年代以来，我国风电发展势头强劲，成为我国发展速度最快的能源工业，但是，我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。
我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代，我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。
目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行，大体可分为四种类型。
风力发电控制技术
风力发电及其控制技术摘要: 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。
风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。
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，风力发电机组的切入（电网）和切出（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海岛或边远地区甚至海上，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可靠性提出了很高的要求一、风电控制系统简述风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。
现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。
风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。
由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。
风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。
风力发电的基本原理风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。
风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。
华北电力大学朱永强等风能与风力发电PPT教案
§ 我国风资源
中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了 全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况，参见教材图 3.4和图3.5。
§3.3 风力机的种类
各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、 轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片 和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。
§3.1 风能利用的历史
人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。
埃及可能是最先利用风能的国家。 趣闻：风能与金字塔（见教材） 2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠 风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。 公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能 。 公元10世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪，风车 在中东地区已经获得广泛的应用。
当超过额定风速后，叶片翼型发生变化，叶片后侧的气流分离 产生湍流，叶片效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加 。
失速型叶片存在扭角，失速从叶片的局部开始，随风速的上升 而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。
定桨距风力机的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，优 点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难 以对风功率的捕获进行精确的控制。
§ 水平轴风力机
(2)螺旋桨式风力机 螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多。 其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少 量用单叶片或四叶片以上的。
§ 水平轴风力机
(3)多翼式风力机 也叫多叶式风力机，一般装有20枚左右的叶片，是典型的低转 速大扭矩风力机。
§ 水平轴风力机
多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。 不过，空气动力学噪声一般较小。
风力发电机组的控制技术
风力发电机组的控制技术摘要：随着时代的发展科技的进步，我国在不断地向前发展，电力的使用量是衡量一个国家发展的主要依据之一，我国每年的电耗量位居世界前列，发电过程中需要消耗大量的能源，对环境造成一定的影响，所以我国一直致力于利用清洁能源进行发电，其中风力发电就是清洁能源发电的主要手段之一，本文将对风力发电机组的控制技术进行讨论。
关键词：风力发电；风力发电机组；发电机组控制技术风力发电是一种清洁的发电手段，减少了发电对于环境的破坏。
我国国土辽阔，适合风力发电的区域广泛，所以我国在风力发电这一发电技术上取得了长足进步，风力发电机组的控制技术是维持风力发电的最核心技术之一，风力发电机组的控制技术能够为我国风力发电事业提供强大助力。
一、风力发电在进行风力发电机组的控制技术讨论时，首先简述一下风力发电的概念及其适用范围。
风力发电是指将风的动能转化为机械动能，之后将机械动能转化为电能的一种发电手段，并且风力发电在发电过程中不会产生辐射及空气污染情况的发生，是一项清洁的发电技术。
风力发电在我国西部地区使用广泛，风力发电技术在近些年也得到了充分的发展，风力发电又分为水平轴风力发电、垂直轴风力发电、双馈型发电机发电等多种发电模式。
二、风力发电机组想要利用风力进行发电工作，就离不开发电机组的运转，风力发电机组由风轮、发电机组成。
其中发电机又由风轮中所含的叶片、轮毂等部件组成，当叶片受到风力吹动时，会进行旋转，从而将机械能转化为电能。
风力发电机组按照风轮桨叶分类分为定桨型与变桨型两种，按照风轮的转速又可分为定速型、变速型两种[1]。
我国现在已经拥有了风力发电关键零部件的开发制造能力，但是我国的风力发电机组控制技术还有待完善，再简单描述风力发电机组的构成与类型之后，下面将针对风力发电机组的控制技术进行讨论。
三、风力发电机组的控制技术风力发电机组的控制技术，是风力发电的核心，通过控制技术能够提高风力发电的安全性，提高风力发电的发电效率，下面根据风力发电机组的控制技术进行研究讨论。
《风力发电技术》课件
用于调节风机的转速和风轮角度，以优化发电效率。
全球风力发电发展现状
快速增长
近年来，全球风力发电容量 持续增长，成为主要的可再 生能源之一。
领先国家
中国、美国和德国是全球风 力发电的主要领先国家。
环保效益
风力发电无污染、资源丰富， 是可持续发展的重要组成部 分。
中国风力发电的发展与规模
迅猛增长
就业机会
《风力发电技术》PPT课 件
让我们了解一下风力发电技术的精髓，探索其原理、组成和未来发展趋势。
风力发电技术的定义
风力发电技术是一种利用风能将其转化为电能的可再生能源技术。
风力发电的原，推动发电机产生电能。
2
组成
包括风力发电机组、塔架、涡轮机叶片和传动装置。
3
控制系统
中国是全球最大的风力发电市场， 拥有庞大的风力发电规模。
风力发电行业为中国创造了大量 就业机会，推动经济发展。
地域分布
风力资源在中国各地分布广泛， 促进了能源多元化。
风力发电的优势和挑战
1 清洁能源
风力发电不产生温室气体 和污染物，对环境友好。
2 可再生性
风是永恒的能源，风力发 电具有可持续性特征。
3 可变性
风力的不稳定性和可变性 是风力发电的主要挑战。
风力发电技术的未来发展趋势
技术创新
改进涡轮机叶片设计、提高风 速和方向控制技术。
储能发展
与储能技术的结合，解决风力 发电波动性的问题。
智能化系统
应用智能化系统和大数据分析 提高发电效率和可靠性。
结论和展望
风力发电技术在全球范围内得到日益广泛的应用，未来将继续发展和创新，为清洁能源做出更大贡献。
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化为其他形式的能量 。风能发电：风的动能—电能
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第3章 风能、风力发电与控制技术
13
风能
风能转换及应用情况
风力机
如图3-5所示。
机械泵
发电机
风帆 发热装置
水
空气
油
直流电
交流电 整流
抽水蓄能
压缩空气
液压电动机
电解制氢
蓄电池
涡轮机
机械负载
涡轮机
逆变
发电机
电网
热能
供暖、 供热水
灌溉
交、直流电能负荷
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第3章 风能、风力发电与控制技术
17
（1）独立运行的风力发电机组
水平轴独立运行的风
力发电机组主要由风轮(包
风轮
括尾舵)、发电机、支架、
电缆、充电控制器、逆变
器、蓄电池组等组成，其
主要结构，如图3-6。
发电机
尾舵
充电控制器 畜电池组
支架
逆变器 电缆
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图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构
是指一段时间内的平均值，即平均风速 。 v 3、风力
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风 力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风
到飓风共分为13个等级。例5级风为： V5=9.4m/s.
风力等级与风速的关系： N 0.1 0.824N 1.505
式中 VN——N级风的平均风速(m/s)； N——风的级数。
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第3章 风能、风力发电与控制技术
3
绪论
在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。 风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、发电机 和控制技术等领域。
风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起 源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪 70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可 再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是 近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的 一种可再生能源。
第3章 风能、风力发电与控制技术
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（2） 并网运行的风力发电机组
风轮
电网
并网运行的水平轴
增速器 交流发电机 主继电器
式风力发电机组由风轮、 增速齿轮箱、发电机、
转速测量 晶闸管
偏航装置、控制系统、 定桨距或变桨距 塔架等部件组成，其结
构如图3-7所示
风速测量
控制系统
主开关
变压器
熔断器
电容 补偿
功率测量
k
v v0
h h0
式中 ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；
ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；
k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约 为0.125～0.5。
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第3章 风能、风力发电与控制技术
10
NW
3.1.3 风的表示及应用
1、风向
北 东
北
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第3章 风能、风力发电与控制技术
12
4、风能
（1） 风能密度：密度为ρ的空气，在一秒钟内以速度ν流过单位面
积产生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动能称为风能密度（W/m2)。
表达式为：
E 0.5 3
（2） 风能：空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能(W)。
表达式为： W ES 0.5v3S
（3） 风能利用：风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转
第3章
风能、风力发电与控制技术
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第3章 风能、风力发电与控制技术
1
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第3章 风能、风力发电与控制技术
2
本章主要内容
3.1 风的特性及风能利用 3.2 风力发电机组及其工作原理 3.3 风力机的调节与控制 3.4 风力发电机组的控制策略 3.5 风力发电机组的并网技术 3.6 风力发电的经济技术性评价
图3-8 大型风力发电机组的基本结构
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第3章 风能、风力发电与控制技术
20
3.2.2 风力机及风能转换原理
一、风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。
8
3.1 风的特性及风能利用
3.1.1 风的产生
风是地球上的一种自然现象， 由太阳辐射热和地球自转、公 转和地表差异等引起，大气是 这种能源转换的媒介。
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图3-1 地球上风的运动
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3.1.2 风的特性与风能
1、随机性
2、风随高度的变化而变化
不同高度风速的表达式：
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感性认识：各式风机 /
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助航
图3-5 风能转换与应用情况
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3.2 风力发电机组及其工作原理
3.2.1 风力发电机组的分类及结构
1、风力发电机组的分类
风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。
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第3章 风能、风力发电与控制技术
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按风轮轴的安装型式 水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组
北西 西
北 东
北北
WNW W
风向一般用16个方 位表示，也可以用角度 表示。图示方向方位图
图3-2 风向方位图
WSW
南 西
西
北 西
西西
南 西
南
南
西
南
南 南
南
东
风
SW
SSW S
SSE
北
东东
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第3章 风能、风力发电与控制技术
NNW
N
南 东
东
北 东
NE NNE
SE 11
ESE
ENE
E
2、风速 由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速
图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图
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第3章 风能、风力发电与控制技术
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（3） 大型风力发电机组
并网运行的大型风力 发电机组的基本结构，它 由叶片、轮毂、主轴、增 速齿轮箱、调向机构、发 电机、塔架、控制系统及 附属部件（机舱、机座、 回转体、制动器）等组成，
结构如图3-8。
微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功
按风力发电机的功率
率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW） 和大型（额定功率大于100kW）
按运行方式
独立运行和并网运行
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第3章 风能、风力发电与控制技术
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2、风力发电机组的结构
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产 量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术 原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。