第一篇：風力發電機控制系統研究本科生畢業設計

本科生畢業設計（論文）開題報告

題目：風力發電機控制系統研究

學院：信息工程系電氣工程及自動化

專業：電機電器

班級：電氣051班

學號：7022805017

姓名：熊寅

指導教師：江智軍

填表日期：2008年4月4日

一、選題的依據及意義

1.1 選題依據:

傳統風力發電機組大都采用三槳葉與輪毅剛性連接的結構，即定槳距風輪。槳葉端部

1.5—2.5m的部分設計一般設計成可控制的葉尖擾流器，當風力發電機組需要停機時，擾流器可旋轉90度形成阻尼板，使風輪轉動速度迅速下降，這一機構稱為氣動剎車。

隨著風力發電機組設計制造水平的不斷提高，在大型的風力發電機組中已經普遍開始采用變槳距風輪。變槳距風輪的槳葉和輪毅不再是剛性連接，而是通過可以轉動的推力軸承或者專為變槳結構設計的聯軸器來聯接。這種風輪的優點在于可以根據風速來調節氣流對葉片的攻角，當風速超過額定風速時，通過調節風輪的受力可以使風機保持在穩定的輸出功率上。而且，在大風的情況下可以調節風機處于順槳狀態從而改善整個風機的受力狀況。

與火電煤電等常規發電方式不同，風力發電機組需要頻繁地起停，并且轉動慣量很大，轉速大都設計在每分鐘十幾到三十幾轉之間，機組容量越大，風機的轉速越低。所以，傳統的風力發電機組的風機與發電機之間通常需要增設增速齒輪箱。而風力發電廠的安裝和運行經驗都表明，齒輪箱往往是維護工作量最大的一個部件，也是成本最高、壽命最短的部件之一，故此，如何提高齒輪箱的可靠性或者是否可以取消齒輪箱就成為廣大風力發電研究者的研究課題之一。

變速恒頻直驅型風力發電機組在運行時，風機不接增速齒輪箱，直接和發電機禍合;發電機的定子為三相繞組或多相繞組，轉子為永磁或電勵磁結構;定子發出非工頻的電能，電壓也隨轉速變化;系統中有整流逆變裝置，發電機發出的電壓和頻率都在變化的交流電經整流逆變后變成恒壓恒頻的電能輸入電網;通過調節逆變裝置的控制信號可以改變系統輸出的有功功率和無功功率，實時滿足電網的功率需要。在變速恒頻直驅風力發電機組中，整流逆變裝置的容量需要與發電機容量相等。

1.2選題意義：

變速恒頻發電是一種新型的發電技術，非常適用于風力、水力等綠色能源開發領域，尤其是

在風力發電方面，變速恒頻體現出了顯著的優越性和廣闊的應用前景1)傳統的恒速恒頻發電方式由于只能固定運行在同步轉速上，當風速改變時風力機就會偏離最佳運行轉速，導致運行效率下降。采用變速恒頻發電方式，就可按照捕獲最大風能的要求，要風速變化的情況下實時調節風力機轉速，使之始終運行在最佳轉速上。(2)變速恒頻發電可以在異步發電機的轉子側施加三相低頻電流實現交流勵磁，控制勵磁電流的幅值、頻率、相位實現輸出電能的恒頻恒壓。(3)采用變速恒頻發電技術，可使發電機組與電網系統之間實現良好的柔性連接，比傳統的恒頻發電系統更易實現并網操作及運行。

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國的重視。首先，它來自于自然，取之不盡用之不竭;其次，風力發電只降低了風的速度，并不產生任何有害的物質，對大自然沒有污

染。這些優勢使得人們對它青睞有加。

隨著風力發電應用得越來越廣，在整個能源結構中所占比例越來越大，風力發電技術要朝著大功率、高效率、直驅式、變轉速、變槳距和最優控制等方向發展，達到提高機組運行性能、提高風能利用率、簡化結構提高可靠性、減少材料消耗、降低機組重量、降低造價的目的。對我們能源節約的問題上有著重要的意義。

二、國內外研究現狀及發展趨勢（含文獻綜述）

2.1 國內研究現狀及發展趨勢：

我國雖然是在20世紀70年代就開始研制大型并網型風力發電機組，但直到在90年代國家“乘風計劃“的支持下，風力發電才真正從科研走向市場。在國家有關部委的支持下，額定功率為Zoowk、25OWk、300wk、600姍的風力發電機組已研制成功，ZOOWk~600wk的大型風力發電機組制造技術己基本掌握，并開始研制兆瓦級風力發電機組。我國自主開發的20OWk~300wk級風力發電機組的國產化率已超過9%0;6O0Wk風力發電機組樣機的國產化率達到80%左右。此外還開發了一批風光、風柴聯合發電系統。浙江省機電設計研究院研制的20Owk風力發電機組，于1997年4月通過了國家級技術成果鑒定，同年12月又完成了中試樣機的研制。由上海藍天公司主持研制的300wk風力發電機組，1998年初在南澳風電場投入并網運行，目前運行情況良好。在6O0wk風力機研制方面，由國家科委立項，新疆風能公司、浙江省機電設計研究院等單位主持的大型風力機國產化項目也邁出了堅實的步伐。到2003年，我國己在11個省區建立了27個風電場，總裝機容量達46萬wk。其中達坂城風電場累計安裝風力發電機組172臺，裝機容量達到9.2萬kw;南澳風電場安裝風力發電機組近百臺，裝機容量達到4.8萬kw;內蒙輝騰勒風電場裝機容量也超過3萬kw;福建的坪潭、大連橫山、浙江舟山、上海崇明也都在規劃建設500wk、6O0wk、800wk容量不等的風力發電場。其次，浙江、福建、廣東沿海及新疆、內蒙古自治區都有較大功率的風力發電場。東部沿海有豐富的風能資源，距離電力負荷中心近，海上風電場必將成為今后我國新興的能源基地。

雖然我國近幾年風電發展很快，裝機量以每年20%以上的速度遞增，但風電仍僅占全國電力總裝機的0.11%。相比國外，我國在風力發電技術的研究上比較落后，企業生產規模小，工藝技術落后，一些原材料和產品國產化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的風力發電裝置絕大多數依靠進口。國內自制的風力發電機多為異步發電機，不能做到變速恒頻發電，不能有效地利用各種風況下的風能?？傮w上，我國的風力發電目前仍處于起步階段。

為更好地實施國家可持續發展和西部大開發戰略，國家計委、科技部、國家經貿委制定了新能源和可再生能源產業發展的“十五”規劃，其中包括國家的光明工程和863計劃——后續能源技術主題等國家重大科技發展項目。我國風力發電指導思想是以市場為導向，選擇成熟的、具有市場前景的技術、產品作為產業發展的重點，提出合理的發展目標，制定符合市場發展的產業政策。采取規范市場的措施，進一步推動新能源和可再生能源技術的開發和應用。我國風力發電劃是重點開發6O0kW及以上風力發電機組，實現規?；a;研究開發無齒輪箱、多級低速發電機、變速恒頻等新型風力發電機組;提高10kw以下離網型風力發電機的生產技術水平，推廣風/光互補、風/柴互補和風/光/柴聯合供電系統。我國風力發電的主要目標是:2005年并網風力發電裝機容量達到120萬kw，形成15一20萬kw的設備制造能力，以滿足國內市場需求;到20巧年新能源和可再生能源年開發量達到4300、萬噸標準煤，占我國當時能源消費總量的2%，該產業將成為國民經濟的一個新興行業，拉動機械、電子、化工、材料等相關行業的發展，對減輕大氣污染、改善大氣環境質量作用明顯，將減少3000多萬噸的溫室氣體及200多萬噸二氧化硫等污染物的排放，提供近50萬個就業崗位?？梢?，有了國家的重視和政策的支持，風力發電必將有廣闊的發展前景。

2.2 國外研究現狀與發展趨勢：

首先從裝機容量上來看近幾年世界風力發電的發展。到2001年，全球總裝機容量為25273MW，其中德國裝機容量為8OOOWM，名列首位，占世界風電裝機容量的30%。美國裝機容量達4000WM，名列第二。西班牙為3300WM，名列第三。丹麥裝機容量265OWM，英國為65OWM，中國為400WM，排列第八位。到2002年底，世界總裝機容量為32037WM，而歐洲占全世界的74.4%，為23832MW。據預測，在2001一2005年的5年間，全世界新增風力發電設備的發電能力約為3900WM，到2010年全世界總裝機容量會超過140000WM，預計2020年的世界風力發電量將占全世界總發電量的10%。

其次，從政策上來了解各國對發展風力發電的態度。為促進風力發電的發展，世界各國政府特別是歐美國家出臺了許多優惠政策，主要包括有:投資補貼、低利率貸款、規定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費中征收附加基金用于發展風電、減排C02獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發展本國的風力發電事業;美國通過金融支持，由聯邦和州政府提供信貸資助來扶持風力發電事業;印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流發展風力發電;日本采取的措施則是優先采購風電。多種多樣的優惠政策促進了各國風力發電的快速發展。

三、本課題研究內容

本文以變速恒頻直驅風力發電機為控制對象，對由其構成的風力發電系統及其相關的控制技術進行研究，研究內容主要包括以下幾個方面：

1.深入研究變速恒頻風力發電技術;

2.針對變速恒頻風力發電技術，相應提出同步風力發電機的控制策略;

3.設計搭建實驗平臺，用于測試控制策略的可行性;

4.完成主要控制部分的軟件設計;

5.結合平臺完成實驗并分析實驗結果。

四、本課題研究方案

本文首先從傳統的風力發電機組開始分析，研究變速恒頻直驅風力發電技術與其具有哪些不同以及具有的的優勢，然后談及同步風力發電機組的控制略、運行原理和發電系統的組成。研究方案中還包括控制系統中硬件部分的組成和軟件部分的組成，如何通過仿真模型實驗來驗證這種控制方案的實施。

五、研究目標、主要特色及工作進度

5.1研究目標。

5.2 主要特色

伴隨著風力發電產業的發展和對風能利用水平要求的不斷提高，風力發電的控制系統一直處在人們關注的焦點之下，是人們不斷研究和改進的對象。同步風力發電機系統以其無齒輪箱、輸出有功和無功功率可調節等優勢曾經博得過人們的青睞，但因其難以滿足恒速恒頻的控制要求一度退出風電舞臺?，F在，電力電子技術的發展使得同步風力發電機的控制變得更加簡單，變速恒頻技術的進步給同步風力發電機的應用提供了更廣闊的空間。

變速恒頻直驅風力發電技術的優點有:可以實現最大風能獲取，對永磁機組而言有較高的效率;有較寬的轉速運行范圍，可在-30%～+15%的轉速范圍內運行;沒有齒輪箱，可靠性好;控制簡單，可靈活地調節有功和無功功率。

六、參考文獻

[29]Chung D W, Unified Voltage Modulation Technique for Real Time Three-Phase Power Conversion [J].IEEE Trans.On Industry Application, 1998

[30]C.S.Berendsen, G.Champenois, J.Pavoine.Commutations Strategies for Brushless D.C.Motor Influence on the Instant Torquc.IEEE, 1990

[31]Nicola Bianchi, Silverio Bolognani and Brian J.Chalmers.Salient-Rotor PM Synchronous Motors for an Extended Flux-Weakening Operation Range.IEEE Trans.On Industry Application, 2000

[32]BrianJ.Chalmers,andLawrenceMusaba.DesignandField-Weakening Performance of a Synchronous Reluctance Motor with Axially-Laminated Rotor.IEEE Industry Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, 1997

[33]M Marinescu, N Marinescu.Numerical computation of torque in permanent magnet motors by Maxwell stresses and energy method [J].IEEE Trans.On Magnetic s, 1988

[34] TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Peripherals Reference Guide, Texas Instruments, 2002

第二篇：風力發電機專業術語

風力發電機專業術語范圍

本標準規定了風力發電機組常用基本術語和定義。

本標準適用于風力發電機組。其它標準中的術語部分也應參照使用。定義

本標準采用下列定義。

2.1 風力機和風力發電機組

2.1.1風力機windturbine

將風的動能轉換為另一種形式能的旋轉機械。

2.1.2風力發電機組windturbinegeneratorsystem;WTGS(abbreviation)將風的動能轉換為電能的系統。

2.1.3風電場windpowerstation ； windfarm

由一批風力發電機組或風力發電機組群組成的電站。

2.1.4水平軸風力機horizontalaxiswindturbine

風輪軸基本上平行于風向的風力機。

2.1.5垂直軸風力機verticalaxiswindturbine

風輪軸垂直的風力機。

2.1.6輪轂（風力機）hub（forwindturbines）

將葉片或葉片組固定到轉軸上的裝置。

2.1.7機艙nacelle

設在水平軸風力機頂部包容電機、傳動系統和其它裝置的部件。

2.1.8 支撐結構（風力機）supportstructure（forwindturbines）由塔架和基礎組成的風力機部分。

2.1.9關機（風力機）shutdown（forwindturbines）

從發電到靜止或空轉之間的風力機過渡狀態。

2.1.10正常關機（風力機）normalshutdown（forwindturbines）全過程都是在控制系統控制下進行的關機。

2.1.11緊急關機（風力機）emergencyshutdown（forwindturbines）保護裝置系統觸發或人工干預下，使風力機迅速關機。

2.1.12空轉（風力機）idling（forwindturbines）

風力機緩慢旋轉但不發電的狀態。

2.1.13鎖定（風力機）blocking（forwindturbines）

第三篇：風力發電機技術

風力發電機

2.1恒速恒頻的籠式感應發電機

恒速恒頻式風力發電系統，特點是在有效風速范圍內，發電機組的運行轉速變化范圍很小，近似恒定；發電機輸出的交流電能頻率恒定。通常該類風力發電系統中的發電機組為鼠籠式感應發電機組。

恒速恒頻式發電機組都是定槳距失速調節型。通過定槳距失速控制的風力機使發電機轉速保持在恒定的數值，繼而使風電機并網后定子磁場旋轉頻率等于電網頻率，因而轉子、風輪的速度變化范圍較小，不能保持在最佳葉尖速比，捕獲風能的效率低。

2.2變速恒頻的雙饋感應式發電機

變速恒頻式風力發電系統，特點是在有效風速范圍內，允許發電機組的運行轉速變化，而發電機定子發出的交流電能的頻率恒定。通常該類風力發電系統中的發電機組為雙饋感應式異步發電機組。

雙饋感應式發電機結合了同步發電機和異步發電機的特點。這種發電機的定子和轉子都可以和電網交換功率，雙饋因此而得名。

雙饋感應式發電機，一般都采用升級齒輪箱將風輪的轉速增加若干倍，傳遞給發電機轉子轉速明顯提高，因而可以采用高速發電機，體積小，質量輕。雙饋交流器的容量僅與發電機的轉差容量相關，效率高、價格低廉。這種方案的缺點是升速輪箱價格貴，噪聲大、易疲勞損壞。

2.3變速變頻的直驅式永磁同步發電機

變速變頻式風力發電系統，特點是在有效風速范圍內，發電機組的轉速和發電機組定子側產生的交流電能的頻率都是變化的。因此，此類風力 需要在定子側串聯電力變流裝置才能實現聯網運行。通常該類風力發電系統中的發電機組為永磁同步發電機組。

直驅式風力發電機組，風輪與發電機的轉子直接耦合，而不經過齒輪箱，“直驅式”因此而得名。由于風輪的轉速一般較低，因此只能采用低速的永磁式發電機。因而無齒輪箱，可靠性高；但采用低速永磁發電機，體積大，造價高；而且發電機的全部功率都需要交流器送入電網，變流器的容量大，成本高。

如果將電力變流裝置也算作是發電機組的一部分，只觀察最終送入電網的電能特征，那么直驅式永磁同步發電機組也屬于變速恒頻的風力發電系統。

第四篇：運行風力發電機生產技術,控制方法,控制系統

廣州綠欣風力發電機提供更多綠色環保服務請登錄www.tmdps.cn查詢

運行風力發電機生產技術大全,控制方法,控制系統

兆瓦級直驅式變速變槳恒頻風力發電機組

[技術摘要]本發明涉及一種兆瓦級直驅式變速變槳恒頻風力發電機組，其結構由葉片、輪轂、變槳系統、永磁多級同步發電機、底座、機艙、偏航系統、液壓系 統、潤滑系統，測風系統、塔架及變速恒頻控制系統等各部件組成。由葉輪直接驅動永磁多級同步發電機轉子轉動，永磁同步發電機定子通過逆變系統將風力發電機 組輸出的電能送入電網，實現風能-機械能-電能的轉換。風力發電機組控制采用微處理器，及時準確的獲取環境外部所有信息，控制系統根據這些信息，調整風力 發電機組運行，保證風力發電機組一直在優化、安全的環境里運行。同時，也可以實現風力發電機組在不同風速段運行，使風能利用系數＞0.47，更好的提高風 力發電機組的性價比。

[垂直風力發電機

[技術摘要]一種垂直風力發電機，其塔架結構由支撐桿組成，所述支撐桿上設有上、下二機座及安裝在二機座之間的風輪；所述風輪包括旋轉軸及安裝在旋轉軸上 的三片或三片以上的葉片，所述旋轉軸與地平面垂直；所述風輪還設置有供葉片運行的導軌，所述導軌固定在機座上，所述葉片與導軌之間設置有滾動機構，其不會 輕易造成葉片的損壞，提高了使用壽命，且該塔架可以牢固地安裝在地上，不會出現塔架傾倒，造*員及設備損傷的危險，且其使用壽命長，同時在使用過程中也可 方便維修和保養。

一種風力發電機及風光互補太陽能應用系統

[技術摘要]一種涉及風力發動機的風力發電機及風光互補太陽能應用系統，包括風力發電機本體，風力發電機本體至少包括葉片、發電機、支臂和尾駝，并依次相 連，發電機側部安裝托盤，其特征在于：葉片聯接一個驅動部件，所述的驅動部件可實時調節葉片的槳距角；葉片與葉片軸相連，驅動部件與葉片軸之間連接傳動機 構；第一基座卡套于發電機主軸中，其法蘭面連接軸座，葉片軸套設于軸座中，第二基座與第一基座固定連接，該第二基座上安裝驅動部件，傳動機構包括第一齒 輪、中間齒套和第二齒輪，且依次通過齒輪嚙合，第一齒輪與驅動部件相連接，中間齒套與第一基座相卡套，第二齒輪與葉片軸末端相連接，本發明實現智能控制葉 片槳距角與尖速比，使本發明保持運行在高效率狀態。

車船用風力輔助發電機

[技術摘要]車船用風力輔助發電機，屬于風力發電機技術領域。所要解決的技術問題是提供一種可以利用空氣流所具有能量發電的車船用輔助發電機。解決其技術 問題的技術方案如下：車船用風力輔助發電機，包含發電機、兩個風輪及轉子軸；發電機安裝在車船身上；兩個風輪裝在發電機轉子兩端的轉子軸上，風輪采用離心 式葉輪。本發明應用于車船的輔助電源。有益效果是可以充分利用車船行進時所產生的流動空氣中的能量，作為車船的輔助電源，節約車船行駛中燃料消耗。當行駛 速度達到38-60公里/小時，即可使發電機發出12伏電壓，作為車船的輔助電源。運行中發電機受力平衡，不產生振動，不易磨損，輸出功率為只裝一個風輪 的兩倍。

繞線轉子風力發電機系統故障控制方法

廣州綠欣風力發電機提供更多綠色環保服務請登錄www.tmdps.cn查詢

[技術摘要]本發明涉及一種繞線轉子風力發電機系統故障控制方法，風力發電機與電網連接，電網發生故障時，由故障控制器控制系統，使發電機轉子在故障狀態 下不直接與電網進行能量交換，減小電網故障對轉子的影響、維持發電機定子和轉子電流在可承受的水平，從而保護發電機的安全。同時通過控制方法的設計，發揮 發電機組的控制潛力，將其某些裝置用于定子和電網控制，可以提高電網的穩定性，加快電網恢復，使發電機盡快投入正常運行，更好地利用風力發電。

風力、水流兩用發電機

[技術摘要] 風力、水流兩用發電機，本實用新型涉及風力和水流發電設備。它提供一種采用大面積截風的風帆，運轉平穩，自動對準風向，風力、水流兩用的臥式發電機。設有 兩對鏈輪和一對鏈條；風帆懸吊在鏈條之間的橫杠上，風帆由小葉片鉸鏈而成，風帆受風或水流運轉通過鏈輪和傳動輪、傳動帶帶動發電機運行。本機工作平穩，結 構簡單，沒有污染和噪音，能夠實用，有推廣應用價值。

永磁風力發電機

[技術摘要] 本實用新型公開了一種永磁風力發電機。它含有定子鐵芯(1)，轉子整體磁極(2)、機座(3)、機軸(4)、裝配螺釘(5)、后端蓋(6)、風窗(8)、前端蓋(9)、軸承(10)、定子繞組(11)，定子鐵芯(1)扭轉角度為3．3°—5．5°，在后端蓋(6)的內壁上設置有整流二極管(7)。在轉子整 體磁極(2)上設置有12個或10個槽，槽內嵌有永久磁鋼(16)。本實用新型的特點是，低速，結構簡單，運行可靠，且成本低廉。

第五篇：永磁風力發電機核心技術

發電機工作原理：和電動機一樣在定子鐵芯槽內放有A、B、C三相并且線圈匝數相等的線圈，在轉子鐵芯槽上也有線圈分N極和S極，當外面的直流電經電刷、滑環通入轉子線圈后在轉子線圈上會產生磁力線，這磁力線的方向從N極到S極，發電機轉子被汽輪機轉子帶動以n1(3000轉每分鐘)速旋轉時，相當于該轉子磁力線也以n1的速度在旋轉，這過程被定子線圈所切割在定子線圈中產生感應電動勢（感應電壓），發電機和外面線路上的負載連接后輸出發電，這是基本的原理。

螺桿式單級壓縮空壓機工作原理：是由一對相互平行齒合的陰陽轉子（或稱螺桿）在氣缸內轉動，使轉子齒槽之間的空氣不斷地產生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉子的槽與陽轉子的齒被主電機驅動而旋轉。

由電動機直接驅動壓縮機，使曲軸產生旋轉運動，帶動連桿使活塞產生往復運動，引起氣缸容積變化。由於氣缸內壓力的變化，通過進氣閥使空氣經過空氣濾清器（消聲器）進入氣缸，在壓縮行程中，由於氣缸容積的縮小，壓縮空氣經過排氣閥的作用，經排氣管，單向閥（止回閥）進入儲氣罐，當排氣壓力達到額定壓力