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1、 . . . 摘 要本论文主要进行双馈型风电机组电控系统与安全保护部分的设计研究。文中首先介绍了双馈型风电机组工作原理与运行过程，提出了双馈型风电机组电控系统总体要求、结构与功能，围绕此要求与总体方案对各部分电控系统进行详细的设计和研究，分别对各电控系统基本功能、结构和控制策略进行分析设计，对系统软硬件部分给出了具体设计方案。然后从系统角度提出了机组相关电磁干扰理论，分析了机组的主要干扰源，并针对具体电控系统进行详细的抗干扰设计，最后提出了风电机组的安全保护等级，并对机组安全链和防雷接地技术进行分析研究。关键词：双馈机组,电控系统,电磁干扰,安全保护ABSTRACTThe paper is m
2、ainly for the research and design of electric control system and safety protection of the double-fed wind turbine.First of all, the test introduced to us the working principle and operation process of double-fed wind turbine and the electric control system of the general requirements, structure and
3、functions. Surrounding this request and the overall program for each of the electronic control system it carry out a detailed research and give a analysis and design of the basic functions of electronic control system, structure and control strategy respectively. Then give a specific design with the
4、 hardware and software of the system. From the system point of view it put forward a theory of units related to electromagnetic interference, analysis the main sources of interference and specific design to reduce Electro Magnetic interference. Finally, it takes us the security protection levels of
5、wind turbine, research the safety chainsand technology of grounding and Lighting-proof System.Sun Dapeng(Control Science and Control Engineering)Directed by prof. Lu YuegangKEYWORDS:Double-fed wind turbine,Electric Control System,Electromagnetic Interference(EMI),Security Protection目 录中文摘要英文摘要目录II第一
6、章概述11.1 本课题的背景11.2 电控系统的研究现状11.3 本论文研究的意义21.4 所做工作与本论文的目标2第二章风力发电机组电控系统总体要求与设计方案42.1 双馈型风力发电机组工作原理与运行过程42.1.1 双馈型风电机组工作原理42.1.2 异步双馈风力发电机组运行过程52.2 电控系统总体要求62.3 电控系统总体结构与功能72.3.1 双馈型风电机组电控系统整体结构72.3.2 电控系统总体功能82.4 电控系统设计方案9第三章风电机组电控系统的功能与设计113.1 主配电系统113.2 中央监控系统113.2.1 中央监控系统功能113.2.2 中央监控的实现方式123.2
7、.3风力发电机监控网络123.3 塔底主控系统133.3.1 主控系统功能133.3.2 主控系统流程133.4 变流控制系统143.4.1 双馈电机工作原理143.4.2 变流系统组成与功能部件163.4.3 变流系统并网控制过程183.5 机舱控制系统193.5.1 机舱控制系统组成193.5.2 机舱信号量检测与变送单元203.6 变桨控制系统273.6.1 变桨控制系统原理273.6.2 变浆距控制过程273.6.3 变浆距系统电控部分28第四章风电机组电磁干扰理论与电控系统抗干扰研究334.1 电磁兼容和电磁干扰定义334.2 电磁干扰理论334.2.1 传导干扰334.2.2 传输
8、线处理方法354.2.3 辐射干扰的传播374.3 风电机组控制系统抗干扰研究394.3.1 风电机组电源系统抗干扰技术与保护394.3.2控制系统抗干扰与保护444.3.3 通信系统抗干扰技术484.3.4 变流系统抗干扰技术504.3.5 风电机组变流系统直流母线与Crowbar保护52第五章 风电机组安全保护系统研究555.1 风电机组安全保护系统设计555.2 风电机组安全链系统565.2.1 双馈型风电机组安全链组成与功能565.2.2 风力发电机组的紧急停机过程585.2.3 风电机组安全链逻辑结构595.3风力发电机组防雷保护605.3.1 叶片防雷研究605.3.2 机舱防雷6
9、05.3.3 电控系统防雷615.3.4 接地保护63第六章 结束语64参考文献66致 68在学期间发表的学术论文和参加科研情况69 / 第一章 概 述1.1 本课题的背景目前,世界环境情况正在日益恶化。其中,利用煤炭、天然气、石油等燃料发电所产生的温室效应是一个重要因素,而核能发电则面临核废料的处理问题,不利于环境保护。随着世界性能源危机的加剧和全球环境日趋污染,许多国家都更加重视洁净的新能源和可再生能源的研究、开发和利用。根据1995年联合国所做的一份调查报告,认为清洁能源水能、风能、太阳能、生物质能的开发利用将是最有利于人类的,而其中最便宜的就是发展太阳能和风能,产业前景最好,其开发利用
10、增长率远高于常规能源。风能作为清洁、可再生能源具有许多优点:取之不尽、用之不竭；就地可取、不需运输；分布广泛,分散使用；不污染环境,不破坏生态；周而复始,可以再生。干净可再生能源风能受到了世界各国的青睐。据估计,世界风能资源高达53万亿千瓦时,而到2020年,世界电力需求为每年25万亿千瓦时,全球可再生风能资源是整个世界预期电力需求的2倍。对风能的利用有助于实现能源的安全和多元化,减少温室气体排放,减少化石燃料造成的城市环境污染,替代核能1。就世界围而言,风力发电是新能源领域术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。风力发电几乎不消耗矿物质和水资源,与常规燃煤、燃油发电方式相比,具
11、有可减排CO2、SO2、NOx与烟尘等污染物、调整改善电力工业结构、推进技术进步等各种优点,风力发电的经济指标逐渐接近清洁煤发电。因此备受世界各国的关注,目前已在世界上几十个国家得到了广泛的开发和利用。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20 座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的风力发电总目标,并要求风力发电装备本土化2。大力发展风力发电对保护生态环境、改善能源结构、促进可持续发展都十分重要。1.2 电控系统的研究现状风力发电机型由定桨矩风力发电机向变速恒频型转变，装机容量逐
12、步提高，现在1.5MW变速恒频风力发电机组应经成为业界的主流，2MW、5MW的大型风电机组技术也趋于成熟，并已经并网发电，产业化初具规模。在变速恒频风力发电机组中，有两种发展趋势，一是双馈型风电机组，现在风电市场上的变速恒频机组一般是这种机型，技术比较成熟；另一种是直驱型风电机组，它与双馈型相比省去了庞大的齿轮箱这一机械传动机构，大大降低了机组的维护成本，但同时给变流系统带来更大负荷的压力，这种机型目前技术正处于发展阶段，也有相应的机型投入市场。由于两种机型各有优劣，在未来的风电市场竞争中处于并驾齐驱，共同发展的阶段。目前,我国国产化机组产量仍然偏小,远未达到规模效益,使得零部件采购价格偏高,
13、 利润空间很小。我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业,应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术, 加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量,提高国产机组可靠性, 以取得风电场建设者的认可, 逐步加大市场份额。1.3 本论文研究的意义从国外风力发电发展趋势来看，在未来20年里，风力发电产业将是增长最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期。在中国，国产风电设备制造水平和能力急需进一步提高，虽然近期有些国风电企业对外宣称已经完全自主创新研制出一些风力发电机型，但离真正的“中国制造”
14、还有一定的差距，这就需要我们的科研机构和研发人员继续攻克关键性技术难题，并勇于创新，真正走出一条有自主知识产权的风电之路，引领中国21世纪风电发展。从目前风电技术层面看，最新的核心技术依然掌握在几家国外几家公司手中，如GE、VASTAS等。根据我国十一五规划和能源发展战略，急需国研制出具有自主知识产权的风电机组，打破国外技术垄断，用新的绿色能源技术造福后代。值得欣喜的是，现在我国有很多研究机构正在对风力发电技术进行攻关研究，其中，华北电力大学自动化系风电研究所就是其中之一。依托学校强大的科研实力，多年来一直从事风电技术的研究，现在所研制的“双馈型风力发电机组”技术已经处于成熟阶段。本文属于“双
15、馈型风电机组”课题的一部分。本文从风电机组国产化这一根本目标作为出发点，对风力发电机组电控与保护系统进行研究，对风电机组关键性技术进行论述，给出了具体的风电机组与保护系统设计方案。本文可作为将来刚涉入风电领域人员的系统学习和培训资料，也可作为对风力发电有一定基础人员的参考资料，其中对于电控系统和安全保护部分的研究对风电机组后续设计提供了参考和指导。1.4 所做工作与本论文的目标在研究生期间，针对风力发电这一课题，参阅了大量国外文献资料，深入了解国外各大厂商的相关机型资料，对国外风力发电最新成果和技术走向有较深刻的理解。在理论学习的同时，还多次去风电场实地考察参观，并与现场机组运行人员广泛交流，互相学习，积累了大量的现场资料，对风力发电机组并网运行有了感性的认识。根据掌握的资料和相关数据，并参考多家国外先进机型，在期间还完成了双馈型机组电气原理图的绘制。在原理图设计与绘制的过程中，根据对机组的理解和现场参观实习经验，对整个系统设计提出了一些改进设计方案。在现场期间，针对机组容易出现故障的电源模块、信号采集模块和控制模块进行研究，对故障原因进行系统分析，从中汲取了很多宝贵的经验，也总结出在硬件系统设计中需要注意的问题，为以后的设计有很好的参考指导价值。本论文要实现以下目标：（1）对双馈型风电机组总体要求和
