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1、河北工业大学硕士学位论文MW级变速恒频风力发电机组变桨控制系统研究姓名：刘树红申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘艳萍20100301河北工业大学硕士学位论文 i MW 级变速恒频级变速恒频风力发电机风力发电机组组变桨变桨控制系统控制系统研究研究 摘摘 要要 在能源消耗日益增长濒临枯竭，环境污染日渐严重的今天，开发可再生能源己成为全社会可持续发展的紧迫课题。作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。在风力发电机组整体技术不断进步的今天，变桨距型风力发电机组以其风能利用率高、起动性能与制动性能好和机组脱网时不需经历突甩负载过程等优
2、点，越来越受到人们的重视。变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行有十分重要的作用。 论文首先从变桨距风力机空气动力学进行研究，得出变桨距变速恒频控制理论基础，然后针对国内相关元器件，从结构、维护、安全性、工作环境等方面考虑，本文采用三相永磁同步电机伺服驱动系统作为变桨距系统的驱动控制部分，对变桨距风力发电机组核心技术之一的变桨距系统进行了理论分析，研究了基于矢量控制的三相永磁同步交流伺服电机控制系统的 DSP 实现。 伺服系统软件核心运算单元为 TI 公司的 DSP TMS320F2812 芯片。外围电路包括电流检测电路、光电码盘接口电路、三相交流逆变电
3、路和 RS232 转 SCI 通讯接口电路，通过一系列的仿真实验可以验证 DSP 实现对交流电机运行的位置、 速度和电机电枢电流的高精度控制，初步达到了设计的目的。 关键词关键词：变桨距，风力发电机，矢量控制，DSP MW 级变速恒频风力发电机组变桨控制系统研究 ii RESEARCH ON PITCH-CONTROLLED SYSTEM OF MW RATED VARIABLE SPEED AND CONSTANT FREQUENCY WIND TURBINE ABSTRACT Now with energy resources being consumed increasingly to
4、be exhausted and environment empoison being serious gradually, it has already been an urgent subject for social sustainable development that we should develop new renewable sources. Wind power is paid great attention to by more and more countries as renewable resource and pollution-free energy resou
5、rce, and the technology also becomes research hotspot of many scholars. The technology in the field of wind turbine has been greatly improved in recent years. Pitch-controlled wind turbine is believed to be superior to other types of wind turbine due to its features such as high efficiency and ideal
6、 starting and braking performance. Pitch-controlled system, the very core of a large-scale wind turbine control system, is playing a very important role in the security, stability and efficient operation of the units. In the thesis，the variable-speed constant frequency pitch-controlled theoretical b
7、asis is put forward by research of wind turbine aerodynamic characteristics. Based an the domestic element and according to the characteristics such as structure, maintenance, security and working environment, three-phase permanent magnet synchronous motor servo drive system is applied as control pa
8、rt of pitch-controlled system in this paper. The pitch-controlled system is theoretically analyzed and DSP-controlled implementation of permanent magnet synchronous AC servo motor based on vector control is researched. The core of computing unit for the servo system is DSP TMS320F2812 chip. The exte
9、rnal circuits are introduced in this paper, including current detection circuit, photoelectric encoder interface circuit, three-phase AC conversion circuit, and RS232 to SCI communication interface circuit. AC motor control of position, speed and armature current can be realized by DSP through a ser
10、ies of simulation experiments, the initial design purpose is served by this design program. KEY WORDS: pitch-controlled system, wind turbine, vector control, dsp 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 课题背景和意义课题背景和意义 当今社会， 我们国家和全世界共同面临的一个挑战， 就是能源的安全和随着气候变化所导致的环境问题。 能源问题与环境问题一样已经成为世界共同的问题。 整个社会的工业化进程对能源的需求将是不
11、可想象的。经济要发展，全世界必然承受资源和能源的问题。 我们目前的能源结构中 70%是煤炭，煤炭的主要问题就是对环境构成威胁。其他常规能源如石油、天然气等，它们在自然界的含量是有限的，而且也会造成与煤炭一样的大气污染问题。随着现代经济的快速发展， 人类对于电力的需求增长迅速， 而电力供应紧张问题已经是人类面临的必须迫切解决的课题。目前发电方式主要集中在火力发电，其使用的原料已近枯竭。其他发电方式如核电对环境污染严重，太阳能电产量太低， 水力发电受发电条件限制并且可利用的资源有限。 新能源是我们将来解决能源增量的一个重要领域，也是清洁能源的一个主要的领域。对于应对环境变化、气候变化，解决环境问题
12、，这是非常好的一个革命。 我们既可以解决经济发展对能源的需求， 又可以解决在发展人类经济和社会发展的同时，使我们的气候和环境不受到伤害。 在自然界中，风是一种可再生、无公害而且储量丰富的能源。在全球气候变暖和能源危机的严峻形势下，各国都在加紧对风能的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。风能是我国目前开发中的新能源之一。在很早之前，人们就发现了风能的作用，人们通过做成风车来抽水、磨面等，作为代替人力和畜力的动力，而现在我们主要研究是如何利用风能发电，以解决能源供应紧张等问题。风力发电可以减少温室气体排放，缓解环境污染，可以同时提高环保和经济效益。据专家估计，地球
13、上所接收到的太阳能大约有百分之二转换成风能，装机容量可达 10TW，每年可发出电力 13PWh13。 近年来，几乎所有的发达国家都将本国二十一世纪最重要的任务定为实现风能的大规模开发利用。各个国家除了在财政上予以大力支持外， 还制定相应的法律法规来扶持风能的大规模开发利用。 风力发电的成本不断下降，已经由 1980 年代早期的 38 美分/kWh 降到 2004 年初的大约 4 美分/kWh。专家预测到 2010 年，世界风电平均发电成本将降至大概 2.6 美分/kWh。因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生
14、辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。 随着风力发电机组单机容量的增大， 风能在电网中的比重也日益增大， 为了得到高品质的风力发电机组的电能，对机组控制的要求也更加严格。变速恒频、变桨距技术已成为当今风力机两大关键技术。 目前， 制约我国风力发电快速发展的根本因素是风力发电的成本居高不下， 这是因为首先风力发电机组的关键部分的设计水平比较低， 其次是进口的风力发电机组都是定桨距的小功率风力发电机组， 不能最大捕获风能，发电效率不高。专家指出，在国家对风力发电政策的扶持下，在风力发电成本与常规能源的发电成本持平的基础上，自己研制大型风电机组，并且实现先进电控
15、系统的并网运行，不断提高MW 级变速恒频风力发电机组变桨控制系统研究 2 风电机组效率，才能达到良性发展。由此可见，我国对于发展并网风力发电的主攻研究方向是提高国产风电机组技术水平，通过提高风轮的转速来提高风能利用率，进一步降低成本。因此，我们研究并开发具有自主知识产权的并网型风力发电机组的发电机调速电控系统，具有重大经济和社会意义。 1-2 风力发电风力发电机组机组国内外研究概况国内外研究概况 近年来全球风电产业在总体上呈现持续快速的发展趋势， 世界风电产业增长的重点区域开始从欧洲转移到亚洲和北美。2008年全世界风力发电新增装机容量约2726万kW，比去年增长了29%，累计装机容量达1.2
16、1亿kW，增长了42%。2008年累计风电装机最多10个国家占全球装机总量的86%，全球风力发电量为2600亿kWh，在全球总发电量中所占比例从2000年的0.25%上升至2008年的1.5%。2009年对于全球风能市场来说是困难的一年， 信贷投放和投资者的信心均下降。 但由于风电是减少二氧化碳排放的主要方式之一， 多国政府都已表明将在政策上继续支持本国的风力发电产业。 对能源安全问题和气候变暖问题的关注， 以及发展中国家对电力需求的增加和日具竞争力的风电场建造成本， 都决定了全球风电市场将会稳步增长。政策支持等因素将使风能产业顺利度过金融危机。 近二十年来， 发达国家在风力发电技术领域已经取得巨大成就。 并网运行的风力发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已发展到兆瓦级，美国已经研制成功7MW风力机，而英国正在研制10MW的巨型风力机。 兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流产品。 目前国外对大型风力发电机组控制系统的研究非常活跃，以提高机组的运行性能、降低发电成本。从今后的发展趋势来看，风电场将从内陆移到海上，其发展空间将更加广阔。 中国的风电行业长期
