风力发电系统电气控制设计风电毕业论文

毕业论文

风力发电系统电气控制设计

摘要

风力发电系统电气控制技术是风力发电在控制领域的关键技术。风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中,控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组控制系统的功能很强,但由于工作不可靠,经常出故障,而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难，于是这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用。因此对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说,系统的安全可靠性必须认真加以考虑,必须引起足够的重视。

我们的目的是希望通过控制系统的设计，采取必要的手段使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并且在出故障之后能够以最快的速度修复系统,使之恢复正常工作。

关键词：风力发电的基本原理；风力发电机的基础理论；风力发电控制系统；风轮机的气动特性；变桨距控制系统。

1绪论

1.1国内外风力发电的现状与发展趋势

风能属于可再生能源，具有取之不尽、用之不竭、无污染的特点。人类面临的能源、环境两大紧迫问题使风能的利用日益受到重视。我国的风能资源丰富，可利用的潜能很大，大力发展风、水电是我国长期的能源政策。而其中风电是可再生能源中最具发展潜力和商业开发价值的能源方式。从20世纪80年代问世的现代并网风力发电机组，只经过30多年的发展，世界上已有近50个国家开发建设了风电场(是前期总数的3倍)，2002年底，风电场总装机容量约31128兆瓦(是前期总数的300倍)。

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%，保持着世界增长最快能源的地位。2010年全球装机容量达196630MW，新装机容量37642MW，比去年同期增长23.6%。

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。

海上风力资源条件优于陆地，将风电场从陆地向近海发展在欧洲已经成为一种新的趋势。有人把风电的发展规划为3步曲，陆上风电技术（当前技术）一近海风电技术（正研发技术）一海上风电技术（未来发展方向）。

2010年北美的装机容量有显著下降，美国年度装机容量首度不及中国；多数西欧国家风能发展处于饱和阶段，但风能产业在东欧国家得到显著发展；非洲风能发展主要集中在北非。

随着海上风电的迅速发展，单机容量为3 -6MW的风电机组已经开始进行商业化运行。美国7MW风电机组已经研制成功，正在研制10MW机组；英国10MW机组也正在进行设计，挪威正在研制14MW的机组，欧盟正在考虑研制20MW的风电机组，全球各主要风电机组制造厂家都在为未来更大规模的海上风电场建设做前期开发。

1.1.1世界上风力发电的现状

近年来，世界风电发展持续升温，速度加快。现主要以德国、西班牙、丹麦和美国的一些公司为代表，大规模地促进了风电产业化和风机设备制造业的发展。经过四、五年时间的整合，国际上风机制造业大约有十几家比较好的大企业。2003年底，全世界风电是3800万千瓦左右，而2003年一年就增加了400多万千瓦，仅德国到2003年底的装机容量就有1600万千瓦，其次是西班牙、美国、丹麦等国。国外风电的发展趋势，一是发展速度加快，二是风机机组从小型化向大型化发展,海上风电厂是下一步发展的主流。

全世界风力发电总装机容量:1981年为105万kW,1994年为350万kW,1995年达到490万kW,1996年底为607万kW,1997年升至780万kW,1998年已达到968.9万kW,2000年5月已超过1429万kWa德国风力发电在装机容量方面居于世界领先地位，2000年5月已达到4635万kW;丹麦是开发风电最早的国家，而且当前在风力发电技术和生产方面等仍处于领先地位，全国装机容量148万kW，占发电总装机容量的5%以上。国际上许多国家都制定了新世纪的风力发电计划，欧洲风能协会己制定出2020年欧洲风能装机容量 1.0X lOSMW的目标，并写入了欧共体关于可再生能源的白皮书;欧洲风能委员会CEWER)对I99I年欧洲风能发展目标作了修改，新的EWEA目标是:欧洲风力发电机装机容量到2000年约为8000MW,2010年为100000MW。欧洲风能协会和丹麦能源与发展论坛的研究报告表明:在20年内风力发电可以满足世界电力需求量的10%。

1.1.2我国风力发电的现状

风能资源作为一种可再生能源取之不尽，中国更是风能大国，据统计中国风能的技术开发量可达3亿千瓦-6亿千瓦，而且中国风能资源分布集中，有利于大规模的开发和利用。据考察中国的风能资源主要集中在两个带状地区，一条是“三北（东北、华北、西北）地区丰富带”即西北、华北和东北的草原和戈壁地带；另一条是“沿海及其岛屿地丰富带”，即东部和东南沿海及岛屿地带。这些地区一般都缺少煤炭等常规能源并且在时间上冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，而风电正好能够弥补火电的缺陷并与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。80年代初，200千瓦风机的研制开发工作开始实施。从90年代初期在山东容城建设了第一个商业化风力发电厂，到2010年底，中国以约4182.7万千瓦的累积风电装机容量首次超越美国位居世界第一，较2009年同比大增62%。按照国家电网此前出具的研究报告，到2015年，电网覆盖范围内可吸纳风电上网的规模达1亿千瓦，到2020年可达1.5亿千瓦。受国际风电发展大型化趋势的驱使，国内风电机组技术取得了不俗的成果。2005年，中国风电场新安装的MW级风电机组（≥1MW）仅占当年新增装机容量的21.5%。随着国内企业MW级风电机组产量的增加，2007年MW级风电机组的装机容量占到当年新增市场的51%，2008年占到72.8%，2009年占到86.8%。2009年中国在多MW级（≥2MW）风电机组研制方面取得新的成果，如金风科技股份有限公司研制的2.5MW和3MW的风电机组已在风电场投入试运行；华锐风电科技股份有限公司研制的3MW海上风电机组已在东海大桥海上风电场并网发电；由沈阳工业大学研制的3MW风电机组也已经成功下线。此外，中国华锐、金风、东汽、海装、湘电等企业已开始研制单机容量为5MW的风电机组。中国开始全面迈进多MW级风电机组研制的领域。2010年，国际上公认中国很难建成自主化的海上风电项目，然而，华锐风电科技集团中标的上海东海大桥项目，用完全中国自主的技术和产品，用两年的时间实现了装机，并于2010年成功投产运营，令世界风电行业震惊。

报告预测，2013年，中国风电装机量很可能达到16.6千兆瓦，在2014年达到17千兆瓦，2015年达到18千兆瓦。按照这个增长速度，中国在2015年末风电并网装机达到1

亿千瓦的目标将提前一年实现。风力发电系统电气控制技术是风力发电在控制领域的关键技术。

1.1.3论文主要内容的简介

风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中,控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组控制系统的功能很强,但由于工作不可靠,经常出故障,而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难，于是这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用。因此对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说,系统的安全可靠性必须认真加以考虑,必须引起足够的重视。

2 风力发电系统的基本原理

2.1 风力发电的基本原理

2.1.1 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。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。

2.1.2风力发电的特点

（1）可再生的洁净能源

风力发电是一种可再生的洁净能源，不

消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电

所无法比拟的优点。

（2）建设周期短

一个十兆瓦级的风电场建设期不到一

年。

（3）装机规模灵活

可根据资金情况决定一次装机规模，有

一台资金就可以安装一台投产一台。

（4）可靠性高

把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。

（5）造价低

从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。

（6）运行维护简单

现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。

（7）实际占地面积小

发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

（8）发电方式多样化

风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。

（9）单机容量小

由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。

2.2 风资源及风轮机概述

2.2.1 风资源概述

（1）风的起源

风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66．5°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。

（2）风的参数

风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。

风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。

风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。

（3）风能的基本情况[1]

○1风能的特点

风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。

○2风能资源的估算

风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为

30.5V ωρ= (1-1)

式中 ω为风能(w)；

ρ为空气密度(kg/m )；

v 为风速(m/s)。

由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V 的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得

30.5()V P V dV ωρ= （1-2）

2.2.2 风轮机的理论[4]

风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。

2.3 风力发电机的结构与组成

2.3.1 风力发电机的分类[5]

风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw 以下）、中型（10—100kw ）和大型（100kw 以上）风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。

2.3.2 水平轴风力发电机的结构

大中型风力发电机组是由叶片、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）组成的。

(1)机舱

机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。

(2)风轮

叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风

能的部件。

叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP ）制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。

轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。

主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min ，一般由40Cr 或其他高强度合金钢制成。

（3）增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而

发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。

（4）联轴器

增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在

图

1.2

一起。

（5）制动器

制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。

（6）发电机

发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种：

①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。

②永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V 的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。

③同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。

（7）塔架

塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。

（8）调速装置

风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：

○1可变浆距的调速装置；

○2定浆距叶尖失速控制的调速装置；

○3离心飞球调速装置；

○4空气动力调速装置；

○5扭头、仰头调速装置。

（9）调向（偏航）装置

调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以

使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

（10）风力发电机微机控制系统[11]

风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电

压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。

（11）电缆扭缆计数器

电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆。

3 风力发电电气控制系统的设计

3.1 风力发电机组的基本控制要求

3.1.1 风力发电机组运行的控制要求

(1)控制思想[3]

○1定桨距失速型机组控制

风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。

○2变桨距失速型机组控制

风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过改变桨叶节距角和空气动力学的失速特性，使叶片吸收风功率减少或者发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。

○3控制功能和控制参数

节距限制、功率限制、风轮转速、电气负荷的连接、起动和停机过程、电网或负荷丢失时的停机、扭缆的限制、机舱对风、运行时电量和温度的限制。

○4保护环节以失效保护为原则进行设计

自动执行保护功能：超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败时。保护环节为多级安全链互锁在控制过程中具有“与”的功能在达到控制目标方面可实现逻辑“或”结果。

(2)自动运动的控制要求

○1开机并网控制:当风速10分内的平均值在系统工作区域内，风力发电机组起动→软切入状态→机组并入电网。

○2小风和逆功率脱网:机组在待风状态→10分平均风速小于脱网风速→脱网→风速再次上升→风机旋转→并网。

○3普通故障脱网停机:参数越限、状态异常→普通停机→刹车→软脱网→刹机械闸→计算机自行恢复。

○4紧急故障脱网停机:紧急故障(飞车、超速、负荷丢失等)→紧急停机→偏航控制（90度）→脱网→机械刹车。

○5安全链动作停机：电控制系统软保护控制失败→硬性停机→停机。

○6大风脱网控制：10分平均风速大于25m/s时→超速、过载→脱网停机→气动刹车→偏航控制（90度）→功率下降后脱网→刹机械闸→安全停机→风速回到工作风速区后→恢复自动对风→转速上升后→自动并网运动。

○7对风控制：机组在工作风区→根据机舱的灵敏度→确定偏航的调整角度。

○8偏转90度对风控制：机组在大风速或超转速工作时→降低风力发电机组的功率→安全停机。→当10分平均风速大于25m/s时或超过超速上限时→风力发电机组作偏转90度控制→气动刹车→脱网→停机。

○9功率调节：当机组在额定风速以上并网运行时→失速型机组→发电机的功率不会超过额定功率的15%→过载→脱网停机。

○10软切入控制：软切入、软脱网→限制导通角→控制发电机端的软切入电流为额定电流的1.5倍→控制发电机端电压。

（3）控制保护要求

○1主电路保护：变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器→维护操作安全和短路过载保护。

○2过电压、过电流保护：主电路计算机电源进线端、控制变压器进线和有关伺服电动机的进线端均设置过电压、过电流保护措施。

○3防雷设施及熔丝：控制系统有专门设计的防雷保护装置。

○4过继电保护：运行的所有输出运转机构的过热、过载保护控制装置。

○5接地保护：金属部分均要实现保护接地。

3.2 风力发电机组控制系统的结构原理

3.2.1 风力发电机组的控制目标

风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置。风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制目标时应结合它们的运行方式，重点实现以下目标：

（1）控制系统保持风力发电机组安全可靠运行同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。

（2）控制系统采用计算机控制技术对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理完成机组的最佳运行状态管理和控制。

（3）利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制对变桨距风力发电机组主要进行最佳叶尖速比和额定风速以上的恒功率控制。

（4）大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下风力发电机组能软切入自动并网保

证电流冲击小于额定电流。当风速在4～7m/s之间切入小发电机组（小于300kW）并网运行当风速在7～30m/s之间切入大发电机组（大于500kW）并网运行。

主要完成下列自动控制功能：

○1大风情况下当风速达到停机风速时风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机而且在脱网同时风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时风力发电机组又可自动并入电网运行。

○2为了避免小风时发行频繁开、停机现象在并网后10分内不能按风速自动停机。同样在小风自动脱网停机后5分内不能软切并网。

○3当风速小于停机风速时为了避免风力发电机组长期逆功率运行造成电网损耗应自动脱网使风力发电机组处于自由转动的待风状态。

○4当风速大于开机风速要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围±15°。

○5风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松开机械闸其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。

○6风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。

○7在大风停机和超速停机的情况下风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外还应该自动投入偏航控制使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度增加风力发电机组脱网的安全度待机舱转约90°后机舱保持与风向偏90°跟风控制跟风范围±

15°。

○

8在电网中断、缺相和过电压的情况下风力发电机组应停止运行此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况应能自动脱网和抱闸刹车停机此时偏航机构不会动作风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。

○9风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈系统已设计了正/反向扭缆计数器超过时自动停机解缆达到要求时再自动开机恢复运行发电。

○

10风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操）手动控制时“自动”功能应该解除相反的投入自动控制时有些“手动”功能自动屏蔽。

○

11控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内一旦超过极限并出现危险情况应该自动处理并安全停机。

3.2.2 异步发电机基本原理

（1）异步发电机基本原理

发电机是风力发电机组中最关键的零部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。使用异步机作为风力发电机与电网并联的优点是：发电机结构简单成本低并网控制容易，缺点是要从电网吸收无功功率以提供自身的励磁。这一缺点可以通过在发电机端并联电容器来改善。

由于风电场的特殊性，它的并网和解列的操作十分频繁，而且由于投资成本的限制以及管理、维修等方面的优点，现在大多数的大型风电场都采用异步发电机作为主力机型。本论文的研究对象中使用也是异步发电机，下面我们对异步机做以下的简单介绍。

异步电机一般称感应电机即可作为发电机也可作为电动机。异步机作为电动机应用非常广泛异步机作为发电机的情况则比较少。但由于异步发电机具有结构简单价格便宜坚固耐用维修方便启动容易并网简单等特点在大中型风力发电机组中得到广泛应用。

异步发电机的基本结构和同步发电机的一样，也是由定子和转子两大部分组成。异步机的定子与同步机基本相同，其转子可分为绕线式和鼠笼式，绕线式异步机的转子绕组和定子绕组相同，鼠笼式异步机的转子绕组是由端部短接的铜条或铸铝制成像鼠笼一样。

异步机是利用电磁感应原理通过定子的三相电流产生旋转磁场并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。通常异步机的转子转速总是略低于或略高于旋转磁场的转速。旋转磁场的转速s n 与转子转速n 之间的差为转差，转差n 与同步转速s n 的比值称为转差率用S 表示

()s s n n n S /-=

(3-1) 转差率是表证异步机运行状态的一个基本变量。

若电机用原动机驱动使转子转速高于旋转磁场的转速（>s n n ）则转差率S<0，此时电

磁转矩的方向与转子转向和旋转磁场两者的方向相反即电磁转矩为制动转矩。此时转子从原动机吸收机械功率通过电磁感应由定子输出电功率电机处于发电机状态。

（2）异步风力发电机的参数

○1风轮额定转速

风轮额定转速是风轮在额定风速时的转速。风轮额定转速也是风力发电机设计的重要参数之一。它是由叶尖速比及发电机功率决定的参数。

○2发电机额定功率

发电机的额定功率是发电机在额定功率因数下连续运行而输出的功率它是由用户提出或由不同的使用目的而确定的。它是风力发电机设计的最基础数据。单位为KW；也有用视在功率表示的单位为KV A。

○3发电机是交流还是直流

微小型风力发电机常用直流发电机中、大型风力发电机常用交流发电机。这要视用户的用途、发电机功率而确定。交流发电机分同步和异步交流发电机、异步交流发电机也称感应交流发电机。永磁交流发电机等。

○4发电机额定电压

发电机额定运行时电压为定子或转子输出的电压，单位为V。

○5额定功率因数

发电机在额定运行时其有功功率与视在功率的比值用以下公式来表示

φ(3-2)

cos=

P为有功功率KW，S为视在功率KV A，cos与负载性质有关。

○6发电机额定转速

r表示。

发电机在额定功率运行时的转速用min

○7额定频率

发电机额定运行时其电压变化的频率。中国交流电网电压频率为50Hz。国外也有交流电网60Hz的。

○8发电机额定励磁电流

发电机在额定运行时的励磁电流。

○9发电机额定温升

发电机在额定功率输出及额定负载下定子绕组与转子绕组允许的最高温度与额定入口风温的差值。

○10同步转速

对于额定频率为f 的交流发电机其同步转速

p f n /60= (3-3)

式中 p ——发电机的极对数；

n ——同步转速r/min 。

○

11风力发电机的全效率风力发电机的全效率为风轮叶片接受风能的效率1η、增速器的效率2η、发电机的效率

3η、传动系统效率3η等的积

4321ηηηηη⨯⨯⨯= (3-4)

3.2.3 控制系统主要参数

（1）主要技术参数

○1主发电机输出功率（额定） ()e P KW

○2发电机最大输出功率 ()1.2e P KW

○3工作风速范围 425/m s →

○4额定风速 ()/e V m s

○5切入风速（1min 平均值） 4/m s

○6切出风速（1min 平均值） 25/m s

○7风轮转速 ()/min N r

○8发电机并网转速 1000/150020/min r ±

○9发电机输出电压 10%V ±

○10发电机发电频率 500.5Hz Hz ±

○11并网最大冲击电流（有效值） 1.5e I

○12电容补偿后功率因数 0.60.92→

（2）控制指标及效果

○1方式专用微控制器

○2过载开关 690,660V A

○3自动对风偏差范围 15±︒

○4风力发电机组自动起、停机时间 60S

○5系统测量精度 0.5%≥

○6电缆缠绕2.5圈自动解缆

○7自动解缆时间 55min

○8手动操作响应时间 5S

(3)保护功能

○1超电压保护范围连续()

S U V

30 1.3

○2欠电流保护范围连续()

30 1.3

S I A

○3风轮转速极限40/min

○4发电机转速极限1800/min

○5发电机过功率保护值连续()

S P KW

60 1.2

○6发电机过电流保护值连续()

30 1.5

S I A

○7大风保护风速连续60025/min

S r

○8系统接地电阻4Ω

○9防雷感应电压3500V

3.2.4 控制系统工作原理[6]

主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数备份系统工作表，接着就正式起运。起动的第一秒内先检查电网、设置各个计算器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行于风轮的叶尖本来是90°，现在恢复为0°，风轮开始转动。计算机开始时监测各个参数、输入，判断是否可以并网，判断参数有否超过极限、执行偏航、相位补偿、机械制动或空气制动。其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95至0.99之间。

3.2.5 风力发电机组的变距控制原理

(1)变桨距风力发电机组的控制方式

风力发电机组的变距系统主要包括两种控制方式，即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步发电机的功率与转速是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。

变桨距风轮的叶片在静止时节距角为90°，这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0度方向转动，直到气流对叶片产生一定的功角，风轮开始起运。风轮从起运到额定转速，其叶片的节距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值调整节距角，进行所谓的速度控制。

当转速达到额定转速后电机并入电网。这时，电机转速受到电网频率的牵制变化不大，主要取决于电机的转差，电机的转速控制实际上已转为功率控制。为了优化功率曲线，在进行功率控制的同时通过转子电流控制器对电机转差进行调整，从而调整风轮转速。当风速较低时，风轮转差调到很小(1%)，转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机转差要调整到很大（10%），使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。

（2）变距控制[7]

变桨距控制系统实际上是一个随动系统，变距控制器是一个非线性比例控制器，它可

以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号，控制比例阀（或电液伺服阀）驱动油缸活塞推动变距机构，使叶片节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。

3.3 风力发电系统的控制策略

在风力发电控制系统中，风轮机应在转速极限和功率极限内追求在最佳Cp目标曲线附近运行，应当把动能转换作为设计策略的重点加以规划；当达到转速限值

和功率标称值时，要及时准确的进行调节，以使输出功率平稳。必须分清异步发电机和功率变换器的绝对极限和常用上限的差别，尽量减小对电网的污染。下面概述的风力发电系统的各种控制策略在国内外大中型并网发电的风力发电机中均有应用。

3.3.1 风轮机的气动特性[8]

风轮机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风轮机的特性通常用风能转换效率Cp-尖速比λ曲线来表示，图2-2是一条典型的Cp-λ曲线。尖速比可表示为 m R v ωλ=

（2-1）

式中 m ω为风轮机的机械转速(rad/s)；

R 为叶片半径(m)； v 为来流的线性风速(m/s)。

根据风机叶片的空气动力特性，风

能转换效率P C 是尖速比λ和桨矩β的

函数，即(),P C f λβ=。典型P C 与λ和β

的关系可用图2-3来表示。由图中可见，

对于同一个P C 值风轮机可能运行在A 和

B 两个点，它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区，当风速发生变化时风轮机的运行点将要发生变化。

在恒频应用中，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按(2-1)式，尖速比便可以在很宽范围内变化(取决于叶片设计)，风轮机捕获风力可以写成

30.5P P SC V ρ=机械

(2-2) 式中 P 机械

是气动功率(W)； ρ是空气密度(kg/m 3)；

A 是扫掠面积(m 2)；

P C 是风轮机的功率系数。

由(2-2)式可知，风机整体设计和相应的运行控制策略应在追求P C 最大的情况下进行相应的调整，便可增加其输出功率。如图2-4所示是理想风轮机的功率曲线。

从理论上讲风轮机组的输出功率是无限大的，它是风速立方的函数。但在实际应用中，它却受到了如下的限制：

（1）功率限制：由于构成电路的所有电气元件都受到了功率限制；

(2)转速限制：由于系统中的齿轮箱、电机都存在转速的上限。

因而风轮机的运行存在三个典型区：在低风速段，按恒定P C 途径控制风轮机直到转速

达到极限；然后按恒定转速控制风轮机，直到功率最大；功率最大后，风轮机按恒定功率控制。

3.3.2 定桨距风力发电机的控制策略

传统概念的风力发电机一般都是上风向、三叶片的风轮机，通过齿轮增速箱来驱动异步发电机，并与电网相连来发电的。风轮机的功率调节完全依靠叶片的气动特性的风力发电机组称为定桨距风力发电机组。风轮机吸收的功率随风速不停地变化，发电机工作于同步转速附近，而风电机组的设计一般在额定功率时风轮的转换效率P C 在最佳区段。当风速超过额定风速时，为了保持发电机输出功率恒定，必须通过叶片失速效应特性来降低P C 值，以维持输出功率的恒定。对于定桨距系统，发电机正常工作的滑差小于1%，允许滑差范围一般在5%以内，而风速的变化范围却很大。从(),P C f λβ=的函数关系来看，难以保证

在额定风速之前使P C 值达到最大，特别是在低风速段。通常系统设计有两个不同功率、不同极对数的异步发电机，以满足不同风速的要求。大功率高转速的异步发电机工作于高风

风力发电机的设计及风力发电系统的研究毕业设计论文

毕业论文题目：风力发电机的设计及风力发电系统的研究

诚信声明本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期：年月日

毕业设计（论文）任务书题目：风力发电机的设计及风力发电系统的研究一、基本任务及要求： 1）基本数据：额定功率 600=N P KW 连接方式 Y 额定电压 V U N 690= 额定转速 min /1512r n N = 相数 m=3 功率因数 88.00=?s c 效率 96.0=η 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1）风力发电机的电磁设计方案；（2）风力发电系统的研究；（3）电机主要零部件图的绘制；（4）说明书。进度安排及完成时间： 2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩

目录摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (10) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (10) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (10) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (20) 第3章风力发电机的设计 (27) 3.1 概述[11] (27) 3.2 风力发电机 (28) 3.2.1 风力发电机的结构 (28) 3.2.2 风力发电机的原理 (29) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (29) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (30) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (30) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (31) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (32)

基于plc风力发电控制系统的设计(毕业设计)

摘要全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。风力发电的发展是时代的需要。在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统，旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法，使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率。设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在液压系统中，设计了温控、压力控制功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相关调试，另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。关键词：可编程控制器；偏航；液压系统；控制系统；风力发电

ABSTRACT Global population growth and developing economic expansion, to 2050, world energy demand may double or even increased two times. The whole of life on earth depends on both the energy and the carbon cycle. Energy for economic social development are crucial, but it has also brought environmental challenges. We must explore the energy production and consumption in all aspects, including improving energy efficiency, clean energy, the global carbon cycle, carbon resource, waste and biomass, but also pay attention to them and climate and natural resource problems between. Wind power development is the need of the times. In the wind power control system based on Programmable Logic Controller (PLC), mainly is the design of future development direction. Based on the design of PLC wind power control system, in order to ensure the windmill generator yaw system, gear box, hydraulic system, the generator work; by selecting appropriate control method, making the system more stable operation, which can effectively improve the utilization rate of wind power. Design of the main generator control circuit, control circuit, gearbox and hydraulic station running and working conditions for the design, and draw the corresponding electrical schematic diagram. The control circuit also shows PLC, motor and corresponding low voltage devices model selection, rendering the I / O wiring diagram; in generator control circuit, design of the generator speed control; yaw circuit, design of wind, starting function; in the hydraulic system, design temperature control, pressure control function; in the gear box system, design the level control function.

基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真

毕业设计(论文) 题目基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真院系机械工程系专业班级学生姓名指导教师二〇一六年六月

基于Simulink的风力发电组控制系统的设计与仿真摘要现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重[1]。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格日益上涨，并且化石能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害人体健康、导致全球变暖[2]。风能是一种可再生能源，风力发电技术是可再生能源开发中技术成熟程度、规模化开发程度、商业化程度最高的发电方式。风能是清洁无污染的可再生能源，而且风能资源分布广泛，总量十分可观。全球可利用的风能约为 MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，风能将成为21世纪的主要能源之一[3]。本文主要介绍了风力发电的主要原理，简单介绍了风力发电机的气动和机械系统模型，最后着重介绍双馈风力发电机组的原理以及建模。由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文还介绍了Simulink的建模方式，以及简要介绍在Simulink环境下对双馈异步风力发电机控制系统的建模过程，对建模过程中需要对控制系统参数的设定进行介绍。最后将双馈风力发电机的仿真系统进行仿真设计，得到对应电网与风力机的相关输出特性，还有风力机转矩与风速的关系图。观察风力机在不同工作状态下的风速与转矩特征。仿真的结果证明，对双馈风力发电机组控制系统仿真是比较符合实际的，仿真结果具有实际指导意义。关键词：风力机、双馈发电机、控制系统、Simulink、仿真

SIMULATION OF THE WIND TURBINE CONTROL SYSTEM BASED ON SIMULINK Abstract As the global population growth and economic development on the increase of energy demand, the use of traditional energy is facing increasingly severe energy shortage and environmental issues. For fossil energy is scarcity and irrefragable，these reason make its price rising, and fossil fuel combustion produces harmful gas, pollute the environment, endanger human body health, and lead to global warming. Wind energy is a kind of renewable energy, and wind power is renewable energy with technology maturity, scale development degree, in most ways of power generation. Wind energy is a clean pollution-free renewable energy and wind energy resources are widely distributed, the amount is very considerable. Global use of wind power is about MW , larger than the amount of water on earth can develop 10 times, wind power will become one of the main energy in the 21st century. Wind power is mainly introduced in this paper, the main principle of simple introduced the pneumatic and mechanical system model of wind turbine, in the back with emphasis on the principle of the double-fed induction wind generator and modeling. Due to the use of MATLAB/Simulink modeling method, this paper also introduced the Simulink modeling, as well as a brief introduction to in Simulink environment of doubly-fed asynchronous wind turbine control system modeling process, to be used in the process of modeling elements are briefly introduced。 Finally make doubly-fed asynchronous wind turbine simulation system running，get the corresponding grid data and the characteristics of the wind turbine, and wind speed and wind turbine torque diagram. Observer the characteristics under different working conditions of wind speed and wind turbine torque，the simulation results show that the simulation of double-fed induction wind generator is has practical guiding significance. Keywords：wind turbine、double-fed generator、control system、Simulink、simulation

风力发电中的电气控制技术分析

风力发电中的电气控制技术分析摘要：经济的发展，促进社会对电力的需求也逐渐增加，这有效地推动了电力企业的发展。风能是一种具有很强应用价值的新型清洁能源，将其利用到发电过程中可以达到节约资源的目的，是资源节约与环境保护的主要体现。但受气压、气温和环境因素影响，风力发电的可靠性相对较差，对此，在风力发电中应用电气控制技术可以有效地提高发电可靠性。风电电控技术应用广泛，人工智能在控制系统中的合理应用，也必然会取得更大的成果。两者同时在一定程度上，促进中国风电产业的持续稳定发展。在发展过程中，员工应采取合理措施应用人工智能，以确保风力发电的全面发展，了解电控技术及应用策略迫在眉睫，充分重视两者在风力发电系统控制中的应用，为中国电力行业的快速发展奠定相应的基础。关键词：电气控制技术，风力发电，优化对策引言通过运用风力发电技术可以为人们提供充足的电能，使能源危机问题得到有效缓解。在风力发电过程中，为了进一步保证风力发电的质量和效率，需要对电气控制技术进行合理应用，从而使风力发电手段得到优化，维持风力发电系统的安全稳定运行，进一步提升风力发电的效益。 1风力发电类型及特征现阶段，风力发电主要采用恒速恒频风力发电系统，通过保持发动机转速稳定，获得与电网频率一致的电能。现有风力发电系统结构简单，主要采用步电机与鼠笼感应电机设备。其中，鼠笼式感应马达速度大于同步转速，实际构造较为简单，工作时的费用低廉。但在该设备实际运行期间，也存在气动效率不足、结构负荷较高等问题、在风速转变的情况下，设备也会偏离最佳运行转速。部分发电站还会使用变频恒速风力发电系统，风电机可以实施变速运行。发电机的转速随风速的变化而发生改变，以捕获最大风能，调节发电机转速值。通过使用变频恒速风力发电手段，还可以调节电力传输期间的有功功率及无功功率，使发电机

基于PLC的风力发电控制系统设计

学号： 2010509044 浙江大学毕业设计（论文）题目基于PLC的风力发电控制系统设计学生学院专业班级校内指导教师专业技术职务校外指导老师专业技术职务二○一二年六月

基于PLC的风力发电控制系统设计摘要：近年来随着经济的不断发展和人们生活水平的不断改善，在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西门子可编程控制器S7-200来对风力发电进行控制。主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，PLC、电气元件的选型，发电机组启动控制、偏航控制、温度控制和变压器控制等。在论文中给出详细的控制原理解释和各模块的功能介绍，并配有每一模块的控制程序。最后进行相关调试和仿真，利用STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。关键词：风力发电；可编程控制器；偏航；温度控制

The Control System of Wind Power Based on PLC Abstract：In recent years, with the continuous development of the economy and people’s living standards continue to improve, in the scope of world petroleum, oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand. Combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. However, the wind energy is a clean, renewable energy power generation, it has tremendous development potential and business activity in this area. With the progress of science and technology, computer and programmable control of the level of scientific research in ascension, for wind power control research provides a new way. In this paper, aiming at these characteristics of uncertainty and randomness wind energy, we can use Siemens programmable controller S7-200 to wind power control. The main contents include drawing the corresponding electrical schematic diagram and the flow chart, selecting the PLC and electrical components, turbine start-up control, yaw control, temperature control, transformer control and so on. In this paper, it gives detailed explanation of the control principle and the function of each module and control program. Finally, it needs testing and simulation, using of STEP7-Micro/WIN32 programming software for the PLC program debugging, simulation and online diagnosis and so on, so that the simulation results meet the design requirements. Key words：wind power generation; programmable controller; yaw; temperature control

毕业设计(论文)-风能发电及风力发电[管理资料]

目录引言 (1) 第一章绪论 (6) 风能开发与风力发电 (6) 风力发电的基本原理 (6) 现代风力发电机简介 (6) 风力发电的特点 (7) 中国风力发电的现状与趋势 (7) 中国风能资源的分布 (8) 中国风力发电的规划 (8) 第二章PSCAD/EMTDC软件简介 (9) PSCAD/EMTDC的程序结构和功能特点 (10) PSCAD软件模块的构成 (10) 文件管理系统 (10) 建模DRAFT模块 (10) 架空线T-LINE和电缆CABLE模块 (11) 运行RUN TIME模块 (11) 单曲线绘图UNIPLOT和多曲线绘图MULTIPLOT模块 (11) EMTDC模块 (11) 利用EMTDC可进行的模似研究范围 (12) PSCAD/EMTDC 的应用 (12) 第三章风能数学模型的建立和仿真 (12) 风能的数学模型 (13) 基本风 (13) 阵行风 (13) 渐变风 (14) 随机噪声风 (14) 综合风速表达式 (15) 风能的仿真 (15) 基本风的仿真 (15)

阵形风的仿真 (16) 渐变风的仿真 (17) 随机噪声风的仿真 (17) 综合风的仿真 (18) 第四章异步风力发电机的并网 (19) 异步发电机的基本原理 (19) 异步发电机的基本原理简介 (19) 发电机的启动 (19) 异步风力发电机的并网方法 (19) 直接并网 (20) 降压并网 (20) 通过晶闸管软并网 (20) 软并网系统 (21) 软并网控制系统的必要性 (21) 软并网系统的结构组成 (21) 软并网系统的基本工作原理 (22) 软并网的步骤 (22) 晶闸管用于风力发电机组软并网装置的优点 (23) 晶闸管软并网存在的问题 (23) 第五章软并网系统模型的建立 (23) (24) 双相晶闸管模型的建立 (24) 软启动仿真模型的建立 (24) 晶闸管控制电路仿真模型的建立 (26) 晶闸管单相控制电路仿真模型的建立 (26) (26) 第六章异步风力发电机的软并网仿真 (27) 风力发电机直接并网仿真 (28) 直接并网仿真模型的建立 (28) 风速为7m/s时，发电机直接并网仿真 (28) 风力发电机组直接并网仿真分析 (33)

风力发电机的设计及风力发电系统的研究-毕业设计

目录摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (9) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (9) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (9) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (19) 第3章风力发电机的设计 (25) 3.1 概述[11] (25) 3.2 风力发电机 (25) 3.2.1 风力发电机的结构 (25) 3.2.2 风力发电机的原理 (26) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (27) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (27) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (27) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (28) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (29)

风力发电电气控制技术及应用

风力发电电气控制技术及应用风力发电是一种清洁、可再生的能源，其在全球范围内受到越来越多的关注和重视。随着技术的进步和工艺的成熟，风力发电已经成为了一种可持续发展的能源选择。而在风力发电系统中，电气控制技术的应用尤为重要，它直接影响着风力发电系统的性能和效率。一、风力发电电气控制技术的发展概况随着风力发电技术的不断发展，电气控制技术也在不断地进步和完善。在早期的风力发电系统中，电气控制技术相对简单，主要包括变频器、发电机控制系统和与电网连接的逆变器等基本组成部分。随着风电机组的规模越来越大，尤其是近年来的离岸风电项目的兴起，电气控制技术也面临了更高的要求。目前，风力发电电气控制技术已经经历了从传统的PID控制到先进的模型预测控制、自适应控制等多种技术的转变。在软硬件整合、智能化控制、数据管理等方面也有了长足的进步。这些技术的应用，不仅提高了风力发电系统的性能，还使得风力发电系统的可靠性和可维护性得到了极大的提升。风力发电系统的电气控制技术主要包括对发电机、变流器、并网电缆和网侧变流器的控制。对发电机的控制主要包括发电机的转速控制和电磁转矩控制，这直接影响着风力发电系统的电能转化效率。在变流器方面，需要对其输出的交流电进行频率、电压、功率因数等参数的控制，以保证其与电网协调运行。而在电缆和网侧变流器的控制中，需要保证电网的稳态和动态性能，并确保电网对风力发电系统的支持，同时也需要保证风力发电系统不对电网造成负面影响。在风力发电电气控制技术的应用中，还需要考虑各种突发情况的处理，比如突发风速变化、电网故障等，在这些情况下，风力发电系统需要及时进行调整和响应，以确保系统的安全和稳定运行。在实际应用中，风力发电电气控制技术还需要考虑到风机数量的增加、风机容量的增大等新的挑战，这将对控制系统的稳定性和可靠性提出更高要求。在未来，风力发电电气控制技术将继续朝着智能化、数字化、网络化方向发展。随着人工智能、大数据、云计算等技术的不断成熟，风力发电系统的控制将会更加智能化和灵活化，可以根据不同的风场条件、电网条件等实时对系统进行调整，以达到最佳发电效率。对于电气设备的监测、诊断和预测技术也将得到进一步的提升，从而可以更好地预警和处理一些潜在问题，提升系统的可靠性和可维护性。随着新能源技术的迅猛发展，风力发电系统也将逐渐向着大容量、高可靠性的方向发展，这将对风力发电电气控制技术提出更高的要求。未来，风力发电电气控制技术还将在

大型风电发电机组控制中的电气设计

大型风电发电机组控制中的电气设计摘要：随着人们对电能需求量的增加，风力发电工程的单机工作量也在不断增加，风力发电工程的建设任务也在不断增加，对风力发电设备的风电渗透率的要求也在不断提高。近几年风力发电工程已经不仅仅要对风力发电现场的正常状态进行监管还要求实现风力发电设备与电网系统的协调运转，以此来保证风能的转化率和电能的利用率。这就要求技术人员对大型风力发电机组的设备实行控制技术。但是目前我国的控制技术还停留在对传统设备进行研究使用，缺乏对大型风力发电机组进行控制技术。关键词：大型；风电发电机组；控制；电气设计随着社会的发展和社会的进步，人们对能源的要求也越来越高，新型能源的产生恰好适应了社会发展的要求，既能做到循环使用又可以通过自然环境再生。取用方便又没有污染。风能就是其中一种被人民广泛应用的新型能源。随着我国对能源的需求量不断增大，风力发电工程在我国的建设量也在不断上升。 1风力发电的简要介绍工业的发展，能源消耗量越来越大，各种能源问题产生。为了保证能源的持续供应，就需要对绿色环保能源进行开发。用可再生资源替代煤炭等不可再生能源，风能是可以充分利用的。风力发电是有非常好的前景，但是，在对风资源进行利用的过程中，由于风的方向、风的速度以及风力都是不断变化的，就使得风能的可利用效率就会受到影响。科学技术的发展，风能的采集效率越来越高，使用风力发电的发电机组的过程中，就需要采取有效的控制措施，使得风能的采集率提高。风能的使用，不仅发电站的占地面积小，而且发电机可以安全可靠地运行，故障率有所降低。风能的发电成本降低，对风能发电所创造的经济效益起到了促进作用。 2风电机组电气控制系统的基本功能设计

风力发电场电气系统设计与应用

风力发电场电气系统设计与应用摘要：本文主要针对风力发电场电气系统设计展开探讨，对风力发电场的电气系统设计的要求，以及具体的设计方案进行了总结，并对其应用的方法进行了分析，希望可以为今后风力发电场电气系统设计工作提供参考。关键词：风力发电场；电气系统；设计；应用前言在风力发电场的电气系统设计过程中，必须要考虑到其设计的需求，以及系统的应用方法，所以，在风力发电场，电气系统设计过程中，要考虑到在具体的设计环节所应该采取的设计技术，保证设计更加符合要求。 1、风力发电场概述 1.1风电场的概念风力发电场（简称“风电场”）是在风能资源良好的地域范围内，由同一单位经营管理的所有风力发电机组及配套的输变电设备、建筑设施和运行维护人员等共同组成的集合体；是将多台风力发电机组按照一定的规则排成阵列，组成风力发电机群，将捕获的风能转换成电能，并通过输电线路送入电网的场所。建设风电场是大规模利用风能的有效方式，20世纪80年代初兴起于美国的加利福尼亚州，如今在世界范围内得到蓬勃发展，特别是我国，风力发电产业发展迅猛。 21世纪初，欧洲国家率先兴建了大型海上风电场，如丹麦的HornsRev和英国的NorthHoyle风电场。美国、印度等国家也在大力推进更大的海上风能开发计划，我国第一座大型海上风电场——东海大桥风电场于2009年末全部风机实现并网发电。 1.2风电场的特点风电场因其特殊的发电特性，具有如下特点：（1）风力资源具有丰富性。风电场的电能资源来自于风能。大气的流动形成了风，风资源是取之不尽、用之不竭的。（2）风力发电具有环保性。风力发电是朝阳产业、绿色能源，风力发电在减少常规能源消耗的同时，较其他形式发电向大气排放的污染物为零，对保护大气环境有积极作用。（3）风电场址具有特殊性。为达到较好的经济效益，应选择风资源丰富的场址。要求场址所在地年平均风速大于6.0～7.0m/s，风速年变化相对较小，30m高度处的年有效风力时数在6000h以上，风功率密度达到250W/m2以上。（4）生产方式具有分散性。由于风力发电机组单机容量小，每一个风电场的发电机组数目都很多，所以，风电场的电能生产方式比较分散。 2、风力发电对电能质量的影响及改善 2.1影响随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态下自动退出运行。 2.2电能质量的改善

试论大型风电发电机组控制中的电气设计

试论大型风电发电机组控制中的电气设计【摘要】大型风电发电机组控制中的电气设计是至关重要的。本文从风电发电机组控制系统概述入手，探讨了电气设计在其中的重要性和关键技术。随后介绍了电气设计的优化策略及在风电发电机组安全稳定运行中的作用。通过对电气设计的分析，可以发现其在发电机组性能和运行安全上的直接影响。电气设计在大型风电发电机组控制中扮演着不可或缺的角色。本文最终得出结论，强调电气设计的合理性对发电机组的性能和安全具有直接影响，需要在设计过程中充分考虑。这对于提高风电发电机组的发电效率和保障其安全稳定运行具有重要意义。【关键词】大型风电发电机组控制、电气设计、关键技术、优化策略、安全稳定运行、性能、运行安全、电气设计合理性、研究背景、研究意义、重要性、关键环节。 1. 引言 1.1 研究背景大约二千字的内容如下：随着科技的不断发展，风电发电机组的容量和复杂度都在不断增加，控制系统的要求也日益提高。在风力发电系统中，风电发电机组

控制系统是保证风力发电系统安全、高效运行的核心环节。而电气设计作为控制系统中至关重要的一部分，直接关系到风电发电机组的性能、安全和稳定性。对大型风电发电机组控制系统中的电气设计进行深入研究和优化具有重要意义。通过对大型风电发电机组控制系统的电气设计进行研究，可以为提高风电发电机组的性能、降低能耗、延长设备寿命提供参考和指导。也可以为未来风力发电系统的技术创新和发展提供理论支持和实践经验。对大型风电发电机组控制中的电气设计进行深入探讨具有重要的理论和实际意义。 1.2 研究意义大型风电发电机组是当今清洁能源发电领域的重要组成部分，具有对环境友好、资源丰富等优点。大型风电发电机组的控制系统涉及多个专业领域，其中电气设计是至关重要的一个方面。电气设计在大型风电发电机组控制系统中的研究意义主要体现在以下几个方面：电气设计直接影响到风电发电机组的运行效率和性能。良好的电气设计可以提高风电发电机组的发电效率，降低运行成本，增加收益，提高整体竞争力。电气设计对风电发电机组的安全稳定运行具有至关重要的作用。合理的电气设计可以有效预防故障发生，保障设备和人员安全，提高设备运行的稳定性和可靠性。

大型风电场及风电机组的控制系统设计方案

酒泉职业技术学院毕业设计（论文） 10 级风能与动力技术专业题目：大型风电场及风电机组的控制系统设计方案毕业时间：二O一三年六月

大型风电场及风电机组的控制系统设计方案摘要：风力发电技术的发展将带动大型风电场的建设。以大型风力发电机组组成的大型风电场，可为电网提供可再生的绿色能源，也可解决边远地区的能源供应紧张形势，大型风电场的运行管理己提上议事日程。目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统。但各有自己的设计思路，致使风电场监控技术互不兼容。如果一个风电场中有多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成很大困难。因此，国家计委在“九五”科技攻关计划中实施对大型风电机组进行攻关的同时，也把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。关键词：恒速恒频；双馈发电机；变桨距控制；无功补偿控制

目录一、风力发电机组的基本控制系统 (3) （一）风电机组的软启动并网设计 (3) 异步风电机组也可在起动时转速低于同步速时不并网，等接近或达到同步速时再切入电网，则可避免冲击电流，也可省掉晶闸管限流软启动器。 (3) （二）大小发电机的切换控制设计 (3) 2.大发电机向小发电机的切换 (4) 检测大发电机的输出功率，若2分钟内平均功率小于某一设定值（此值应小于小发电机的额定功率)时，或50S瞬时功率小于另一更小的设定值时，立即切换到小发电机运行。切换过程为:切除大发电机的补偿电容器，脱网，然后小发电机软并网，计时20S，测量小发电机的转速，若20S后未达到小发电机的同步转速，则停机，控制系统复位，重新起动。若20S内转速已达到小发电机旁路转速则旁路晶闸管软起动装置，再根据系统无功功率情况投入补偿电容器。 (4) （三）无功补偿控制设计 (4) （四）恒速恒频与变速恒频 (4) 1.恒速恒频机组的特点 (4) 目前，在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机组。为了适应大小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电，同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能，如图1所示。5 2.变速恒频系统的实现 (5) （二）偏航与自动解缆控制设计 (6) 1.正常运行时自动对风 (6) 2.绕缆时自动解缆 (6) 3.失速保护时偏离风向 (6) （三）停车控制设计 (6) 1.正常停机 (6) 2.紧急故障停机 (6) 三、变速恒频发电机组的控制设计 (7) （一）同步发电机交一直一交系统的控制设计 (7) 1.风轮机的控制 (8) 2.发电机的控制 (8) 图3 交-直-交变频系统 (9) （二）双馈发电机的控制设计 (10) 在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。从风力机的气动曲线可以看出，存在一个

风力发电系统的设计(毕业设计论文)

风力发电系统的设计(毕业设计论文) 1. 引言本文档旨在介绍风力发电系统的设计，以满足毕业设计论文的要求。风力发电系统是一种环保且可再生的能源发电方式，具有能源效率高、无污染等优点。本文将从设计的角度介绍风力发电系统的原理、组成部分以及设计过程。 2. 原理风力发电系统的原理基于风能转化为电能的过程。当风吹过风力发电机组时，风力将使叶片转动，进而驱动发电机发电。发电机通过转换机械能为电能，将电能输送到电网供电。 3. 组成部分风力发电系统由以下几个主要组成部分构成： - 风力发电机组：包括叶片、轴、转子、传动系统等，用于将风能转化为机械能； - 电气系统：包括发电机、电缆、开关设备等，用于将机械能转化为电能，并输送到电网；

- 控制系统：包括风向感应器、转速控制器、保护设备等，用于监测风向、控制叶片转速及保护系统安全。 4. 设计过程风力发电系统的设计过程涉及以下几个关键步骤： 1. 风能资源评估：根据所在地区的风能资源情况，评估风力发电系统的可行性和电力输出能力； 2. 基础设计：确定风力发电机组的基础类型和尺寸，确保系统的稳定性和安全性； 3. 叶片设计：选用合适的叶片型号、长度和形状，使其在不同风速下能够高效转化风能； 4. 传动系统设计：设计合适的传动系统来转换叶片的转动能力，驱动发电机发电； 5. 控制系统设计：设计风向感应器、转速控制器和保护设备，确保系统的安全和稳定运行； 6. 性能测试和优化：进行性能测试，并根据测试结果对系统进行优化，提高系统的发电效率和可靠性。 5. 结论

风力发电系统是一种重要的可再生能源发电方式。通过合理的设计过程，可以提高风力发电系统的效率和可靠性，为环保能源的开发和利用做出贡献。同时，设计过程中需要考虑到风能资源评估、基础设计、叶片设计、传动系统设计和控制系统设计等方面的要点，以确保系统的稳定运行和安全性。参考文献 - 张三，李四. 风力发电系统设计原理与实践. 电力出版社，2008. - 王五，赵六. 风能资源评估与风力发电系统设计. 科学出版社，2010. - 毕世勇. 风力发电系统控制技术. 机械工业出版社，2015.

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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、Gem sa、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：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，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。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的系统调用，大大简化了软件的重构，支持快速开发。的设计理念- Automation Studio™ Automation 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）。