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1、摘 要当今对可再生能源的开发利用中，风能由于其突出的优点而成为研究的热点，风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择。目前各种风力发电技术的发展方兴未艾，其中变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。本文在传统风力发电技术的基础上，主要致力于研究变速恒频双馈风力发电技术，从改善运行性能及增强实用性的角度出发，对变速恒频双馈风力发电技术展开了比较全面的理论性研究。通过查阅资料，首先分析了变速恒频风力发电的原理，并对风力发电机组的主要机型和控制技术做了简要概述。接着对变速恒频双馈风力发电系统的控制进行了研究，最后详细分析了该风力发电系统的结构以及基本原理，并提出了控制策略
2、对其进行控制。在风力发电系统中，采用最大功率跟踪控制算法，能够有效地从风中获得最大能量。关键词：变速恒频；尖速比；IGBT变流器；变桨距控制目 录摘 要I绪 论31 风力发电机的基本结构和分类41.1 风力机的结构41.2 风力发电机组的分类42 变速恒频风力发电技术62.1变速恒频风力发电系统结构62.2 变速恒频风力发电机组的运行原理72.3双馈风力发电机基本原理92.3.1 双馈发电机的运行状态103 变速恒频风力发电控制系统的设计113.1 变速恒频风力发电机组的运行状态分析113.2 变速恒频风力发电机组电气控制系统的基本结构和功能143.2.1 电气控制系统基本框图143.2.2
3、系统功能153.3 电气控制系统的实现方法163.3.1 控制系统相关参数163.3.2 硬件接口设计183.3.3控制系统抗干扰设计213.4 控制程序编制思路及流程图22参考文献26附录1变速恒频风力发电控制系统主控图27 绪 论随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护的日益加强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。同样有效地利用风能发电是当今世界关注的焦点。随着风力发电机组容量的变大，提高发电机组的运行效率成为风能利用的潮流，对于此类要求，变速恒频风力机组自然成为一种不容忽视的趋势。风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成
4、为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从20世纪90年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。技术创新使风电技术日益成熟。在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，而风电控制系统和保护系统广泛应用于电力电子技术和计算机技术。新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有具重大作用。目前我国正在进行西部大开发。由于西部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，靠
5、大电网去解决那里的用电问题是不够的，必须同时开发像风电这样的分散供电系统，才能将变速恒频风力发电技术研究的更好且能满足当地人民生产生活的需求。综上所述，开发利用风力资源，既可解决能源短缺，又可以优化能源结构，减少资源消耗和环境污染，减少温室效应等有害气体的排放，缓解全球变暖，保护环境。同时风力发电也有着巨大的社会效益和经济效益，因此，我们要树立正确的科学发展观，才能将风力发电提高到电力可持续发展的战略地位。1 风力发电机的基本结构和分类1.1 风力机的结构风力发电是将风的动能转换为机械能，再带动发电机发电，转换成电能。风力发电机的样式虽然多，但其原理和结构还是大同小异。目前商用大型风力发电机组
6、一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，由气动性能优异的叶片(一般为2-3个叶片)装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的塔架举起，由于变速恒频风力发电技术研究风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。如图1-1所示，其工作原理为当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，时轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或
7、增速机)加速后带动发电机发电。目前也有无齿轮箱式机组可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。1：轮毂(装叶片) 2：传动系统 3：增速齿轮箱4：刹车系统5：发电机6：塔架7：风速风向仪图1-1 并网型风力发电系统1.2 风力发电机组的分类按照不同的分类方式，风力发电机组可分为以下几种类型：1. 按照风轮桨叶分类(1) 失速型。高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率(2) 变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。2. 按风轮转速分类(1) 定速型。风轮保持一定转速运行，风能转换效率低，与恒速发电机对应。(2) 变速型1）双速型。可在两个设定转速
8、运行、风能转换率低，与双速发电机对应。2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。3. 按照传动机构分类(1) 齿轮箱升速型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）。(2) 直驱型。直接连接低速风力机和低速发电机（避免齿轮箱故障）。4. 按发电机分类(1) 异步型1） 笼型单速异步发电机。2）笼型双速变极异步发电机。3）绕线式双馈异步发电机。(2) 同步型1） 电励磁同步发电机；2）永磁同步发电机。5. 按并网方式分类(1) 并网型。并入电网，可省却储能环节。(2) 离网型。一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载与
9、柴油发电机、光伏电池并联运行。 2 变速恒频风力发电技术2.1变速恒频风力发电系统结构在变速恒频风力发电系统中，需要一种功率转换装置将发电机发出的电能控制为恒频。变速恒频风力发电系统图如图2-1所示，其主要组成环节及作用如下：(1) 风力机把风能转化为动能。(2) 变速齿轮箱进行转速转换，将风机的低转速转化为发电机运行所需要的高转速。(3) 风力发电发电机把风力机输出的机械能转变为电能。(4) 发电机侧变流器由自关断器件(如GIR、IGBT、GTO等)构成AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。(5) 直流环节：一般直流环节的电压控制为恒定。(6) 网侧变流器由
10、自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电(如50Hz、690V的三相交流电)，并能有效的补偿电网功率因数。(7) 通过变压器以及开关和保护设备，把电能变为高压交流电(如1l0kV或33kV等)。图2-1 变速恒频风力发电系统其中(3)(5)可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交一直一交变频器，变频器有许多不同的拓扑结构，根据不同的实际需要而加以采用。变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：(1) 最大限度地捕捉风能。(2) 较宽转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。(3) 采用一定的控制策略可灵活调节系统的有功
11、和无功功率，对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用。(4) 采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。2.2 变速恒频风力发电机组的运行原理风力机的作用是从空气中获取能量，将风能转化为动能。根据空气动力学的原理，风力机的功率与风速的三次方成正比，风轮叶片从风中获取的能量公式为： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）其中为空气密度，单位kg/；为风速，单位m/s；A为风力机的扫掠面积，单位；为风力机的输出功率系数(一般=1/3-2/5，最大不超过16/27=0.59)，它是叶尖速比和桨叶节距角的函数；为风力机机械角速度；R为风轮半径。在桨叶节距角为一定
12、时，对于一台确定的风力机，在桨叶节距角不变时总有一个对应着最佳功率系数的最佳时尖速比，此时风力机的转换效率最高。换而言之，对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的转速下才会有最高的风能转换效率。恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然不可能保持在最大值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。变桨距风力机的风能利用系数，与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。对于不同的节距角，风机拥有不同的效率。根据式(2-2)，(2-3)得出的变
13、桨距的风机特性曲线如图2-2所示。由图2-2可以看出：(1)对于某一固定桨距角，存在唯一的风能利用系数最大值。(2)桨叶节距角增大，风能利用系数明显减小。变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段。第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制，因此对该阶段不作讨论。第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能，从理论上来说，根据风速的变化风轮可以运行在任何转速下，但是由于受到运行转速的限定，不得不将该阶段分成两个区域，即变速运行区域和恒速运行
14、区域。在变速区域时应保持恒定为最大值，以便最大限度地获取能量。为了使风轮能在最大区运行，必须使变速发电机转速能够被控制以跟踪风速的变化。当风速不断增大时，风力发电机转速会达到其极限值，因此风力发电机组开始运行在在恒速区域下，发电机转速为其额定转速，其降低，但发电机输出功率仍旧增加。在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三个运行阶段，该阶段称为功率恒定区。51520-0.1012345尖速比10图2-2 变桨距功率系数曲线变速风力发电机组的桨叶节距角开始是恒定的。当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切
15、入的转速，值不断上升，风力发电机组开始做发电运行。通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进入恒定区(=)这时机组在最佳状态下运行。在变速运行区，发电机转速总是跟从风速。图2-3是在不同风速下最大输出功率点的连线，即最佳风力机组输出功率特性曲线。图2-3 风力机输出功率特性根据方程(2-1)、(2-3)，令，则可得风力机运行在曲线上输出的最大功率的方程为： (2-5)可以看出，在同一风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪曲线，必须在风速变化时及时调整转速，保持最佳叶尖速比。以为指令调节发电机输出功率，即可实现最大功率俘获的目的。在变速风力机的开发过程中，研究结果表明：在高于额定风速的条件下，加入变桨距调节的风力发电机组，显著提高了传动系
