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摘 要本文主要首先介绍最近世界及中国风力发电的状况，其中包括世界风力发展的最新信息，中国国内风力发电厂的布置情况，这些风力发电厂中存在的问题及解决的办法。风力发电中存在的主要问题是效率问题，本文主要是设计变桨距控制系统来解决这个问题，其次，开始介绍变桨距系统方案的设计，在通过电机运行的原理介绍数学模型，在反馈框图的基础之上设计硬件软件，经过不断的设计补充，完善，最终通过硬件的合理组合完成了电气原理大图的设计，最后经过整合，完成毕业论文。本文中涉及到的方案计算主要是通过89C51单片机完成的，单片机完成了接受从传感器传来的电信号经过A/D转换被单片机接受，再通过D/A变换传入到逆变电路中，再被变桨控制器感应，从而反馈到电动机中实现反馈调节，功率反馈原理类似。通过本文的方案设计并通过仿真，理论上实现了风能的有效利用，证明了本方案的正确性。文中还详细介绍了双馈发电机的运行原理，及风机处于各个状态的工作情况。关键词: 变桨距系统 双馈发电机 双反馈框图 AbstractThis paper first introduces recent world and Chinas wind power situation, including the world wind development the latest information, the domestic Chinese wind farms, these wind farms decorate the problems and solution. Wind power is the main problems existing in the problem, this paper is mainly the efficiency from control system design change propeller to solve this problem, secondly, began to introduce change from system design of propeller, the principle of motor running in through mathematical model, introduced on the basis of the feedback diagram design hardware and software, through continuous design supplement, perfect, ultimately through hardware reasonable combination of the completed the design of electric principle over integration, complete, finally after graduation thesis.This paper calculated the scheme involved in is primarily through 89C51 microcontroller completed completion, the electrical signals coming from sensors accepted by A/D conversion was microcontroller accept, again through the D/A transformation fo inverter circuits, be change propeller, and feedback control senses realize feedback adjustment to motor, power feedback principle is similar.Through this paper design and simulation, theoretically realized the effective use of wind power, prove that this scheme is correct.The paper also introduces doubly-fed generators, and operating principle of the fan in each state work.Keywords： Pitch system change propeller Doubly-fed generators Double feedback diagram目录摘 要1Abstract2第1章绪 论61.1研究课题的背景71.2研究课题国内外发展现状71.2.1风力发电国外发展现状71.2.2风力发电国内发展现状91.3风力的利用方法101.3.1 风力独立发电系统101.3.2风力电机变桨距功率调节121.3.3 风力发电系统的基本组成121.3.4 风力发电控制方法13第2章 方案论证142.1最大风能捕获的控制技术142.2变桨距系统的工作原理152.2.1 变桨距系统和定桨距系统的比较162.2.2 变桨距系统的分类162.3 直流型与交流型电变桨伺服控制系统的比较172.3.1直流型变桨伺服控制系统17（2） 由于风力机的特性曲线，采用直流无级调速,低速性能好；172.3.2交流型电变桨伺服控制系统18（2）代表了伺服控制系统的发展方向；182.4变桨系统的组成182.5变桨距控制系统的方案框图182.6系统要求达到的技术指标20第3章 控制方法与模型的建立和计算方法213.1最大风能追踪机理213.3.1风能的特性213.1.2最大风能的追踪过程223.2变桨距控制原理233.2.1 风能的计算233.3.2 桨距角调节原理243.3双馈型风力发电机组控制运行原理253.4风能利用系数与变桨距理论基础273.5变频恒速风力发电机组的运行原理273.6双馈风力发电机在三相ABC坐标系下的数学模型293.7双馈风力发电机的矢量控制策略32第4章 硬件电路的设计354.1系统的硬件构成354.1.1变桨控制器的设计354.1.2双馈风力机的说明354.2硬件电路的设计364.2.2三相调压电路364.2.3 89C51简介374.2.4 A/D转换器384.2.5D/A转换器384.2.6 驱动电路39第5章 软件设计405.1系统的软件设计405.1.1 启动变桨距流程图的设计415.1.2 变桨调功程序流程图的设计425.2 主控制系统软件结构的设计43第6章 系统实验446.1 仿真验证446.2 变浆距机构设计与实体建模45总 结48致 谢49参考文献50附录1:程序清单52附录2:3Kw风力发电机组自动控制系统的研究53第1章 绪 论1.1 研究课题的背景随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也日趋短缺，并造成了较为严重的污染。为此，研究和开发洁净可再生能源(如太阳能、风能等)已提到议事日程。可以预计：可再生能源大规模应用将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志。然而，要实现这一目标，首先必须完成可再生能源由补充能源向替代能源过渡，即使可再生能源由边远无电地区的独立供电向有电地区的常规并网用电方向发展，这将大大提高可再生能源的利用率。可见，能源危机和环境保护问题困扰世界的同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。其中电气工程专业首当其冲。电力电子技术、自动控制技术和微电子技术等相结合进行技术创新，可以实现对可再生能源向电能的最佳转换和最优控制，以取得可观的经济和社会效益。 在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优点，被世界各国优先采用。目前在多种可再生能源中对风能的利用在技术上最成熟，已具有同燃油、燃煤、核电等发电技术相竞争的技术经济性。风力机的单机容量越来越大，制造成本不断降低，商业化机组已有10余年良好运行的记录对风力机的设备配套技术也日益完善，商业性风力发电场均己形成了相当的规模和经济效益。风能作为绿色能源备受人们关注,而风力发电机是风能利用最多的方式之一。风力发电机中,离网型风力发电机的应用范围很广,因其体积小、操作方便、维修简单、造价低,在一些风力比较大的偏远地区以及农村具有极大的发展潜力。风力发电机能够更好、更有效的工作,风力发电机的测试实验是至关重要的。本课题主要对3kW风力发电机进行了测试实验, 为评估和改进所测的3kW风力发电机的性能提供了依据。1.2 研究课题国内外发展现状1.2.1 风力发电国外发展现状国际能源研究报告表明，如果各国采取有力措施，力发电到2010年可提供世界电力需要的10%，创造170多万个就业机会，并在全球范围内减少排放100 多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源, 到2010年风电总装机容量将达到40GW，到2020年将达到0.1TW，到2010年德国新增500万千瓦，西班牙新增520万千瓦，年生产能力将达到800万千瓦，可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能资源最好的国家。在美国50个州中，大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998- 2009年间，美国风力发电的总装机容量已经超过16740MW，可以满足160万个中等家庭的日常用电需要。随着技术的不断进步和规模的不断扩大，风电发电成本的不断下降，估计10年后它完全可以和燃煤电厂竞争2。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行，更大单机容量的机组仍然在继续研制。随着风力发电容量在电力系统中所占的比例越来越大，对电力系统的影响日益明显，人们已经开始利用天气预报的技术来预测风电场的功率输出，以优化风力发电机的运行速度。由于600kW级大型风力发电机组技术已经成熟，正在大批量的生产，2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行，风力发电的造价由现在1000美元/kW很有可能下降为600800美元/kW，发电成本从现在的45美分/ ( kWh)，下降到34美分/(kWh)，风力发电规模带来的经济效益更加明显，可以和火电、水电和核电相竞争，这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源，其环境效益也十分明显，随着风力发电技术的日益成熟，发电成本的进一步降低，风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电2。世界风力发电技术已渐趋完善，就其发展趋势而言主要反映在小容量向大容量发展，定桨矩向变桨矩、变速恒频发展，陆上风电向海上风电发展，结构设计向紧凑化、柔性化、轻盈化发展等方面。2010年，业界关注的焦点在于10兆瓦风电技术，并且目前商业化的风力发电机的叶轮直径已经超过100米。变桨变速设计成为主流，同时直接驱动发电机技术的创新变得十分引人注目。最近的一个趋势是海上数兆瓦级的风力发电机的出现。随着风电的发展，风力发电电场的规模和单机容量越来越大，陆上风电场因受环境因素(占地、运输、吊装、噪声等)的制约，人们很自然把目光放到海上风电场。一般认为10MW是陆上风电机发展的极限。巨型风电机其桨叶长度将达到6070m，陆上运输极其困难，安装用的吊车容量将超过12001400吨，很多地区不具备这个条件。而这些问题对于海上风电来说相对比较容易解决，海上运输方便(制造厂在海边)，海上浮吊容量大(超过1500吨的浮吊已比较普遍)。更重要的是，海上风力发电场的风能资源好，风速大并且稳定，年平均利用小时可达3000小时以上，每年的发电量可比陆上高出50% 4。随着风电单机容量的不断增大为了便于运输和吊装，要求风力发电机在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化。特别是其顶部的结构设计, 因为巨大型风电机如果是按常规设计，5MW级的风力发电机其顶部的重量为300500吨, 因此在设计上要简化系统的结构，如充分利用高新复合材料的叶片, 以加长风机叶片长度； 省去发电机轴承, 发电机直接与齿轮箱连接, 被直接置于驱动系统上, 同时使转矩引起振动最小；无变速箱系统, 采用多极发电机与风轮直接连接；发电机中的中速永久磁铁采用水冷方式；调向系统放在塔架的底部；整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上, 使荷载力以最佳方式从轮彀传导到塔筒上等。因此,各风电机制造商都在结构设计的紧凑化、柔性化和轻盈化做了大量的工作。1.2.2 风力发电国内发展现状我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费的76%，已成为我国环境污染的主要来源。一方面大量直接燃煤造成严重的大气污染，据统计，燃煤释放的二氧化硫占全国总排放量的85%，二氧化碳占60%，烟尘占70%，酸雨面积已超过国土面积的40%，造成不可估量的损失。另一方面，由于煤矿在我国的分布极不均匀，煤炭的运输给我国交通系统造成了极大的压力，运输成本亦直接影响了发电成本。我国要实现经济、社会、环境的持续协调发展，必需寻求一条可持续发展的能源道路，故而实现能源替代是我国能源发展的重要战略思想，其中风能开发是能源替代中的关键。我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，全国陆地可开发利用的风能约2.53亿千瓦，而海上可开发利用的风能更是高达7.5亿千瓦。由于我国的风能开发起步较晚，通过近年的快速发展，截至2005我国风机总装机容量仍仅为127万千瓦。目前风力发电技术的发展主要是进一步降低成本、提高效率，增强抗低温、冰冻和雷击等性能，特别是风力发电效率和电能质量的控制这两个关键问题亟待解决。进一步提高风能的利用效率，降低风力发电成本，是大力发展风力事业的必要前提。许多研究者在风力发电设备和风电系统性能的改善方面进行了大量的研究，但还没有达到令人满意的成果。现代控制技术，计算机技术和电力电子技术的发展为上述两个问题的解决提供了技术基础，应用这些新发展起来的技术产生出新型变速恒频风力发电技术，对这两个关键技术的解决有着十分现实的意义。变速恒频风力发电机组正在成为风力发电的主力机型，在兆瓦级变速恒频风电机组的研制方面，我国还处于起步阶段，因此，跟踪国外先进技术的发展，深入研究兆瓦级变速恒频风电机组的关键技术，研制开发具有自主知识产权的变速恒频风电机组，对促进我国风力发电技术及相关产业的发展，有着重要的经济意义和社会效益。我国风能资源非常丰富,陆地可开发风能资源为2.5亿kW,近海可开发风能资源是陆地的3倍多。截止2003年末,国内已运行的风电场有40个(不含台湾省),分布在14个省(自治区、直辖市),装机容量累积56.7万kW,拥有风电机组1042台。2003年新增机组131台,9.8万kW,增长率达21%现在国内投入运行的风力发电机组中,中国制造商的市场份额仅为10.3%,国外制造商占领国内大部分的市场份额。根据中国国家发改委研究编制的风电发展规划,2005年国内风电机组装机容量将达到100万kW,2010年将达到400万kW,2015年将达到1000万kW,2020年将达到2000万kW,2030年将达到8000万kW。所以尽快实现风力发电设备的国产化,有着很好的市场前景。1.3 风力的利用方法1.3.1 风力独立发电系统风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。1819风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合；三是风力并网发电。本文未经特别说明，均指独立运行的发展形式。小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。风力发电系统的一般组成结构如图1-1，首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能，电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小系统设计制造的难度。图1-1 风力发电系统组成结构框图1.3.2 风力电机变桨距功率调节风力机的特性曲线风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数Cp： （1-1）式中：at时间内通过叶轮旋转面的全部风能；bt单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；ct单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为：式中： p=p空气密度(kg/m3)； d叶轮的扫掠面积(m2)；e叶轮的直径(m)。系数 ，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数 （叶尖速比）曲线来表示，如图1-2表示。图1-2 风力机的特性图1.3.3 风力发电系统的基本组成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。1.3.4 风力发电控制方法双馈风力发电机的功率控制可以分成3部分控制的结果：1.偏航系统，偏航系统保证风电机组始终对着风运行，使其吸收的功率最大；2.变浆系统，双馈风力发电机转速在额定转速以下运行时，一种是保持在浆距角为0运行，这时始终吸收功率最大；另一种是跟踪最大功率曲线运行；在风速达到额定风速以上时，这时通过改变浆距角，使浆叶迎风位置改变，来限制吸收的功率；3.变浆距和变流器结合的变速恒频的双馈风力发电机组，这是目前主流的机型，使用双向变流器，对双馈发电机进行矢量或直接转矩控制，可以独立调节有功功率和无功功率。具体过程如下:在额定风速以下运行时，始终保持吸收功率最大，不需要改变浆距角。在额定风速以上运行时，由于桨叶的动量比较大，变浆具有一定的滞后性，这时通过改变双馈电机转子励磁电流的幅值，相位和频率可以改变发电机的转速，这样就能迅速改变风轮的旋转速度，限制吸收功率保持在额定功率。1.3风力发电中存在的问题及解决的方法风电的不稳定性，风力发电存在的问题。为支持风力发电发展和大范围消纳，国家电网公司加大电网建设力度，截至2010年底共投资418亿元，建成投运风电并网线路2.32万公里，其经营区域内风电并网装机已达到2826万千瓦，占全网最大用电负荷的4.2%。 专家表示电并网装 机的快速增加，亟须加快调峰电源的建设，例如抽水蓄能电站建设、燃油燃气电站建设，这些电站的出力比较灵活，能够适时调整适应电网保证平稳负荷的要求，但经济性较差。应借助煤电基地外运通道实现风火联合外送，这有利于扩大风电的范围和规模，降低大规模风力发电开发成本。预测显示，风力发电装机的2020年目标将从1亿千瓦提高到1.5亿千瓦。在此情况下，电网投资需要相应增加4.8%，抽水蓄能、燃气发电等提高系统调峰及运行灵活性的电源投资需要增加8.5%和11.4%，整个电力系统的运行成本将提高1.1%，可能推高电价。但她也指出，为适应大规模风力发电等可再生能源开发，电网综合运行成本将大幅提升。专家表示，随着我国风力发电、光伏等可再生能源装机的快速攀升，配套调峰电源建设和电网建设必须跟上，但可能带来电网综合运行成本的提升。中电联最新数据显示，截至2010年底，我国风力发电并网容量达3107万千瓦，连续5年实现翻番。风力发电的不稳定性对电网运行和电力供应的经济性都带来巨大挑战。 国网能源研究院副院长蒋莉萍介绍说，我国存在严重的风力发电站规模大而电网容量小、电网建设水平弱的问题。有时风力发电机转速不均，怎么使其产生的电压稳定，有两种方案：双馈和直驱简单来说：1）双馈是通过变频器从电网取电，变频后020Hz接到发电机的转子，对发电机的转速进行在线调节，保证输出50Hz的恒频。2）直驱是直接连接发电机的，发电机转速不定，最终通过变频器整流逆变控制，保证输出50Hz恒频从宏观上区分，双馈是部分功率控制，直驱是全功率控制。 第2章 方案论证2.1 最大风能捕获的控制技术变桨距技术是风力发电发展的关键技术。风力发电机组在不同风速下有一个最佳运行转速，此时风施加给风力机的应力最小，且风能捕获效率最高。因此我们尽可能控制风力发电机组在这个最优运行转速下运行。本文将着重研究双馈风力发电机组，使其能在各种风速下跟踪最大的风能捕获曲线，最大限度地利用风能，以增加发电量。风力发电机组的四种控制方式 .定速定桨距控制发电机直接接到恒定频率的电网，在发电时不进行空气动力控制。.定速变桨距控制发电机直接连到恒定频率的电网，在大风时浆距控制用于调节功率。.变速定桨距变频器将发电机和电网去耦，允许转子速度通过控制发电机的反。力矩改变，在大风时，减慢转子直接到空气动力学失速限制功率到期望水平。.变速变桨距控制变频器将发电机和电网去耦，允许通过控制发电机的反力距改变转子速度，在大风时，桨距控制用于调节功率。在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。采用单片机作为风力发电机的变桨距控制器。这种液压变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。本文介绍了变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统。2.2 变桨距系统的工作原理定桨距风机通过叶片的失速，即改变叶片横断面周围流动的气流，导致效率的损失，从而控制风机的最大输出功率。变桨距风机是通过叶片沿其纵向轴转动，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳定。变桨距伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环，在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用，它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节，在低风速启动时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的启动力矩；当风速过高时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的启动力距；当风速过高时，通过调节桨叶距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机输出功率保持稳定。2.2.1 变桨距系统和定桨距系统的比较定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化，桨叶翼型本身所具有的失速特性。当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使将叶表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，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做任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大（与变桨距风叶片比较），浆叶，轮载，塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。变桨距调节型风力发电机组是指通过变浆距装置，带动安装在轮毅上的叶片转动，从而改变叶片桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令变桨距角调到45度，当转速达到一定时，再调节到0度，直到风力机达到额定转速并网发电。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度位置不变，不做任何调节；当发电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。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。2.2.2 变桨距系统的分类（1）变桨距系统根据其工作方式可分为统一变桨和独立变桨二种方式。 统一变桨距控即机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，或者三个执行机构同时驱动,桨叶节距角变化相同。由于液压系统力矩大，在大型风力机统一变桨距方式一般都采用液压方式。 独立变桨距方式，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构驱动，如果其中一个变桨距执行结构出现故障，其它两个桨叶仍能调节桨叶节距角,实现功率控制，而统一变桨距执行结构出现故障，只能停机维修;另外自然界的风。在整个风轮扫及面上分布是不均匀的，独立桨叶控制可以根据各个桨叶上的风速不同进行调节，不仅能维持发电机输出功率，而且能减小桨叶拍打振动，因此独立桨叶控制比统一控制更具有一定的优势。独立变桨距控制将桨叶负载分别由单一的执机构承担，所以一般都采用电机执行方式，电动机通过主动齿轮带动桨叶轮毂内齿圈，使桨叶节距角发生改变。但变动机通过主动齿轮带动桨叶轮毂内齿圈，使桨叶节距角发生改变。但变桨距过程桨叶节距角变化只是0到90度。但风力机组风速传感器安装在风轮后的机舱上，不能正确反映扫及面上的风速，因此控制时一般都以发电机额定功率或转子转速为界，即当发电机输出功率（转速）低于额定值时，进行变速恒频控制，最大捕获风能；而当输出功率（转速）高于额定值时，进行变桨距控制，维持发电机功率在额定值附近。 要实现真正的独立变桨,输入变量包括桨叶节距角变化和风速，以及每个桨叶受力等,实现多变量控制，但由于风速传感器不能反映每个桨叶上的风速情况，而且复杂的控制程序也很难在工程中实现，所以目前工程上仍然采用统一变桨，即三个桨叶同时动作。 （2）根据执行机构的类型可分为液压变桨和电动变桨。（3）电动变桨根据所用电机可以分为直流伺服和交流伺服两种类型。2.3 直流型与交流型电变桨伺服控制系统的比较2.3.1直流型变桨伺服控制系统直流型变桨距系统主要有以下特点（1） 采用串激直流电机，起动力矩大对于转动重达数吨，直径数十米的叶片有好处；（2） 由于风力机的特性曲线，采用直流无级调速,低速性能好；（3） 不允许空载运行,否则会引起“飞车”；（4） 电机有碳刷,维修困难；（5） 加后备电池比较方便。2.3.2交流型电变桨伺服控制系统交流型变桨系统主要由以下特点（1）采用交流永磁同步电机或交流异步电机，结构简单维修工作量小；（2）代表了伺服控制系统的发展方向；（3）必须加UPS；以便在电网突然断电或其它紧急情况停机时，变桨伺服系统可以通过自备的UPS短暂供电，使变桨系统完成收桨及采取予定的其它安全措施。2.4变桨系统的组成变桨系统主要由单片机控制系统可逆直流调速装置直流电机绝对式位置编码器等组成，并由蓄电池作为后备电源，单片机组成变浆的控制系统，它通过现场总线（例如CAN总线）和主控制系统通信，接受主控制系统的指令（主要是桨叶转动的速度和角度指令），并控制可逆直流调速装置驱动直流电机。带动桨叶朝要求的方向和角度转动，同时单片机还负责蓄电池的充电控制。蓄电池电压的监控等辅助控制包括：变桨距伺服电机变桨距配电柜变浆距控制箱变桨距内齿轮固定支架变桨伺服电机经减速葙与变桨距大齿轮联接，正常调节速度 7-8 度/秒，紧急事故时每秒 12 度，8 秒钟可完成 0到90度顺桨调节蓄电池箱、轴箱（每个桨叶各 1 套） 控制葙（1 套） 各部件牢固地固定在轮毂内（內部支架固定）并随轮毂转动 1.控制箱 2.轴箱 3.蓄电池箱。2.5变桨距控制系统的方案框图变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，如图2-1所示为变桨距风力发电机的简图。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。图2-1 变桨距风力发电机简图如图2-2所示为变桨距控制器的原理框图。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID）控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置。图2-2 变桨距风力发电机控制框图当风力机在停机状态时，桨距角处于90的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90以一定速度（约 1/s）减小到待机角度（本系统中为15）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3（桨距角在3左右时具有最佳风能吸收系数）；发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3不变；当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20/s。2.6系统要求达到的技术指标1. 转速 1150rpm ；2发电机功率 3kw；3桨叶变化角度 0-90度；4输出电压 三相 AC380V ；5输出频率 50hz。第3章 控制方法与模型的建立和计算方法3.1 最大风能追踪机理3.3.1 风能的特性根据不同风速，双馈风力发电机组运行控制可分为4个运行区域，即启动区 、最大风能追踪区、恒转速区和恒功率区。启动区 ( A B )：风速小于切入风速，发电机与电网脱离，不作发电运行。图3-1 双馈风力发电机的运行图3-1双馈风力发电机的运行最大风能追踪区 ( B C)：风力发电机并网后运行在最高转速以下的区域。此时，风力机处于定桨距运行状态。在风速一定时，风力机轴上的输出功率只与双馈电机转速有关 ,调节双馈电机转速使其运行于最佳功率曲线上，实现最大风能的追踪。恒转速区 ( C D)：发电机转速达到最高转速，但风力机输出功率未达到额定功率, 为了保护机组不受损坏，不再进行最大风能追踪控制，而是通过桨距控制将机组转速限制在最大允许值上。恒功率区（D E）随着风速的增大，风力机输出的机械功率不断增加，此时发电机和功率变换器将达到其功率极限, 必须通过变桨距控制对机组功率加以限制, 使风电机组处于恒转速恒功率运行状态。综上，额定风速以下时，风电机组的运行不受功率限制，机组控制系统的任务是：通过对转速的调节来跟踪最佳Cp曲线以获得最大风能转化效率;高风速时, 最优 Cp 值对应的机械功率将超过风力机额定功率, 必须通过变桨距控制来限制风力机输出功率。因此在设计风机时, 通常将最常出现的风速范围作为其最大风能追踪区。在此区域通过对双馈风力发电机转子侧 PWM 变换器的控制来实现整个风电系统的最大风能追踪。3.1.2 最大风能的追踪过程图3-2 风力机输出功率和转速图图中给出了不同风速下风力机输出的机械功率与风力机转速曲线图, 当风速为时，系统稳定运行于A点可获得最大风能。当风速突变为 的瞬间, 由于机组转动惯量很大使得风力机转速 1 无法突变, 此时风力机输出机械功率由PmechA 突变为 Pmech B , 但双馈电机总的输出电磁功率仍为 PmechA , 多余的机械功率将使风力机转速上升。在转速上升过程中，风力机输出机械功率沿 B C 曲线运行, 发电机电磁功率 沿A C曲线运行，最终二者在C点重新达到动态平衡。实际运行中，风速的测量比较困难，因此转速控制不是通过直接的转速闭环实现，而是通过控制双馈风力发电机从风力机轴上吸收的机械功率来间接控制转速。不以转速控制为目标，而以风力机运行于最佳功率曲线为直接目标，最终获得最佳转速和最佳叶尖速比。本文采用变速恒频双馈异步风力发电技术 ,交流励磁变速恒频双馈风力发电系统控制主要是通过对转子侧 PWM 变换器的矢量控制实现的 。3.2 变桨距控制原理从能量转换的角度看，风力发电的原理是利用风轮将风能转化为机械能，再通过转轴、变速箱带动发电机将机械能转化为电能。其中风力机的功能是将风能转换为机械能，设P为输出功率，为风能利用系数，为空气密度 ，R为风轮半径 ，v为风轮正面风速，风力机吸收风能产生的输出功率为： (3-1)对于变桨距风力机, 风能利用系数，与尖速比和桨叶的节距角 成非线性关系 , 尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比： (3-2)式中n 风轮的转速。3.2.1 风能的计算由流体力学可知，气流的动能为：(3-3) 式中m为气体的质量。设单位时间内气流流过截面积为A的气体的体积为V，则： (3-4)该体积的空气质量为： (3-5)这时气流多具有的动能为：设为通过风轮截面A的实际速度，为风轮后方远处的风速，显然在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能E，即： (3-6)通常风速v是已知的，所以E可以看成是的函数，求其导数dE/d,并使之为零，则得到风轮可能吸收到的最大风能为： (3-7)最大能量只有在毫无损失的理想风轮中才能得到，并转变为风轮机械能。取单位时间内风轮吸收的风 能E与通过风轮旋转面的全部风能之比为风能利用系数，即： （3-8）由贝磁理论可以得到理想风轮的最大理论效率，用贝磁极限表示，即使毫无损失的吸收风的全部能量，也只能有59.3%的能量可以认为风力发电机组所用，但贝茨理论中，没有考虑不可避免的涡流损失，认为在高的叶尖速比是叶轮的叶尖速度与风速之比，它是风力发电机组的一个重要设计参数，可以表示为： 其中：R为风轮半径，叶尖速比r直接影响叶片的能量捕获，影响风能利用系数。风能利用系数只有在叶尖速比为最大时。在恒速运行的风力发电机组中，风轮转速不变，而风速经常在变化，因此r不可能经常保持在最佳值，故值往往与其最大值相差很多，使风力发电机组常常运行于低效率状态。而变速运行的风力发电机组，可以使风力发电机组在叶尖速比恒定的情况下运转，从而可以实现在很大的风速范围内保持最大值。3.3.2 桨距角调节原理风力发电机组吸收风能风轮产生的输出功率为：（3-9）风力发电机组将产生的能量转变为机械能传递给负载，机械能表达式： （3-10）式中为机械能；为风力发电机低速轴转矩；为风力发电机组低速轴角速度。这里的转矩是负载决定的，这样由上式可得到：: （3-11）当风力发电机组处于一定的风速v下，对于一定的负载，p、R亦为常量， 那么风轮转速就取决于风能利用系数的大小，则有。根据叶素特性理论分析风轮起动后以某种速度稳定旋转时叶片的受力情况，从而得出理想情况下气流与叶片入流角的关系： （3-12）根据力的平衡关系，叶片气动力矩为: （3-13） （3-14）所以有： （3-15）可见正比于，所以当攻角增大，风能利用系数增大；反之，当攻角减小时，风能利用系数减小。当风速和风力发电机组负载一定时，当攻角增大，值增大，风轮转速增大；反之，当攻角减小，值减小，风轮转速减小。3.3双馈型风力发电机组控制运行原理风力发电机组变桨距控制的工作过程如下：风力发电机组在启动前，叶片的桨距角约为90度，此时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到切入风速时，控制叶片向0度桨距角方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角，风轮开始起动。在发电机并网以前，变桨距控制系统桨距角的给定值由发电机转速信号控制，控制系统根据发电机转速值来调整叶片桨距角，进行转速控制。风力发电机组并网后，风力发电机组机组运行分三个工况：图3-3双馈风力发电机组控制运行原理曲线(2)恒转速控制阶段，从风轮转速达到额定时的风速到额定风速区间。（）这个阶段风轮的转速保持不变，桨距角保持不变，叶片的气动力矩随着风速的变大而变大，当风速接近额定风速时，叶片产生的气动力矩也接近额定气动力矩，此阶段为最佳叶尖速比追踪阶段和恒功率控制阶段的过渡阶段。(3)恒功率控制阶段，风速高于额定风速区间（）。当风速增加使得发电机的输出功率也随之增加到额定功率附近时，由于风力发电机组的机械和电气极限要求转速和输出功率维持在额定值左右。从图可以看出，增大叶片的桨距角，风能的利用率明显减小，发电机的输出功率也应减小。当发电机输出功率大于额定功率时，通过调节叶片桨距角减小发电机的输出功率使之维持在额定功率；当输出功率降到小于额定功率时，调节叶片桨距角增大输出功率。当风能增加而发电机要保持原来的额定功率，则必须使风轮转子转动的动能增加，相应的转速也要增加，这样发电机的输出功率也会相应增加，因此仅依靠变速恒频控制不能解决高于额定风速时的能量平衡问题。如果增大叶片的桨距角，使叶片上的能