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1、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,
2、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8
3、0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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、、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
9、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
10、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
11、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
12、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。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（
13、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
14、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
15、。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665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。 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
