（电气工程专业论文）直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计.pdf

t h e d e s i g no f t h ey a w s y s t e mf o rp e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o r d i - - r e c td r i v e nb yw i n dt u r b i n e b y h a n b i n g b e ( i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o ul a w l a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：毒币量 嗍洲。年多月二。日 学位论文版权使用授权书 作撇：多点 嗍年岁肋l u 口h 三燧名：1 习脓拐日磊也享；篇勘日 t 程硕卜学位论文 摘要 我国风电发展较晚，技术相对比较落后，但近几年发展十分的迅速，2 m w 的 风力发电机组早已量产，而3 - - 一5 m w 的风力发电机组也在研制中。但是目前风力发 电成本一直居高不下，使其成为制约我国风力发电发展的主要因素，其中基本原 因一方面是风力发电机组电控系统的设计水平还不高，另一方面是风力发电机组 多为定桨距的小功率机组，发电效率比较低。由此可见，我国发展风力发电的主 要方向就是提高国产风力发电机组的技术水平，以及通过改变控制技术提高风能 利用率，进一步降低发电的成本。因此，研究开发具有自主知识产权的控制系统 势在必行，具有重大技术、经济和社会意义。 直驱永磁风力发电机组以其结构简单、维护成本低、转换效率高、可靠性高 等优点，得到较快的发展。本文主要围绕直驱永磁风力发电机组的偏航系统展开 研究。首先，介绍了直驱型风力发电系统的基本结构和风力机的基础理论，建立 了风力机的数学模型，从而为风机控制打下了基础，再从风力机的风能计算出发， 对风力机的能量转换过程以及风力机的基本特性进行了介绍。其次，本文对偏航 系统由理论分析转入具体的控制实现，以风向标检测的风向信号作为直驱永磁风 力发电机组偏航跟踪控制系统的参考输入，设计了跟踪控制器控制偏航系统进行 自动对风，使风力发电机组桨叶始终处于迎风状态，实现最大功率追踪，以获得 尽可能多的能量。以偏航机构为研究对象，分析偏航控制要实现的任务，从而完 成偏航系统的搭建，解决风力发电机组的偏航，其中重点对偏航电机的进行了计 算和选型，以及它接线方式的设计。 最后，根据所设计的直驱永磁风力发电机组偏航系统的拓扑结构图进行偏航 控制系统的硬件和软件的设计，提出以奥地利b a c h m a n n 公司的m x 2 1 3 处理器作为 主控制器的控制方案，包括各个控制模块的选型、系统总体结构的设计，根据控 制要求进行相应程序流程图的编写。 关键词：永磁同步发电机；最大功率追踪；风向传感器；自动偏航；p l c 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 a bs t r a c t i nc h i n a ，a l t h o u g ht h es t a r to fd e v e l o p i n gw i n dp o w e ri sl a t ew i t ht h e nr e l a t i v e l y p o o rt e c h n o l o g y ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h i sf i e l dt h e s ed a y s 2 m ww i n d t u r b i n eh a sb e e ni nm a s sp r o d u c t i o na n d 3 - 5m ww i n dt u r b i n eh a v eb e e nu n d e rd e - v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h ec o s to fw i n dp o w e rh a sb e e nh i g h ，w h i c hi st h ek e yf a c t o r t h a tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e r t h e r ea r et w or e a s o n sf o ri t o nt h eo n e h a n d ，t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fw i n dt u r b i n es t i l ln e e d st ob ei m p r o v e d o n t h eo t h e rh a n d ，m o s to fw i n dt u r b i n e sa r es t a l l r e g u l a t e da n dl o w - p o w e rr e s u l t i n gi n l o we l e c t r i c i t yg e n e r a t i n ge f f i c i e n c y t h u s ，t h em a i nd i r e c t i o no fe x p l o r i n gw i n d p o w e ri st oi m p r o v et h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f d o m e s t i cg e n e r a t o r sa n df u r t h e rr e d u c e t h ec o s to fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt h r o u g hr a i s i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fw i n dp o w - e r t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ，t od e v e l o pc o n t r o ls y s t e mw i t hs e l f - o w n e d i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sf r o mt h ep e r s p e c t i v e so f t e c h n o l o g y ，e c o n o m ya n ds o c i e t y p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( p m s g ) d i r e c td r i v e nb yw i n dt u r b i n e h a v ed e v e l o p e dr a p i d l yd u et oi t ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t s ，h i g hc o n - v e r s i o ne f f i c i e n c y ，h i g hr e l i a b i l i t y t h i sp a p e ri so r i e n t a t e dt os t u d yt h ey a w s y s t e mo f i t f i r s t ，t h ep r e s e n ts t u d yi st oi n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ed i r e c t - d r i v ew i n d p o w e rs y s t e ma n dt h eb a s i ct h e o r yo fw i n dt u r b i n e b a s e do nt h i s ，am a t h e m a t i c a l m o d e lo fw i n dt u r b i n ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rw i n dt u r b i n ec o n t r 0 1 s e c o n d ，t h es t u d ys e e k st od e s i g ny a ws y s t e mo fw i n dt u r b i n ea f t e rc a l c u l a t i n g t h ew i n dp o w e ro fw i n dt u r b i n ea n di n t r o d u c i n gt h ep r o c e s so fi t se n e r g yc o n v e r s i o n a n di t sf u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s t h i r d ，t h es t u d ya t t e m p t st od e s i g nt r a c k i n gc o n t r o l l e rt om a k et h ey a ws y s t e mf o l l o wt h ew i n da u t o m a t i c a l l ya n dt h eb l a d e so fw i n d t u r b i n ef a c et h ew i n di no r d e rt or e a l i z em a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k e r ( m p p t ) a n dg e t e n e r g ya sm u c ha sp o s s i b l e t h ep a p e ra i m sa ts o l v i n gt h ep r o b l e mo fw i n dt u r b i n e y a wb ya n a l y z i n gt h ey a ws y s t e mf r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h es p e c i f i cc o n t r o li m p l e m e n t a t i o n t a k i n gt h ey a ws y s t e ma st h er e s e a r c hs u b je c t ，a n a l y z i n gt h et a s k so f t h ey a ws y s t e m ，t h ep a p e rw i l ls e tu pt h ey a ws y s t e m a n dt h e nt h ep a p e rp r e c i s e l y s t u d i e si t sc o n t r o ls y s t e ma n da c t u a t o ri nt e r m so fa n a l y s i s ，m o d e l i n gm e t h o d s ，m o d e l s e l e c t i o n b e s i d e s ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h ec a l c u l a t i o n ，s e l e c t i o no ft h ey a ws y s t e m a n di t sc o n n e c t i o nm o d e s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h eg r a p ho ft o p o l o g i c a ls t r u c t u r e so fy a wc o n t r o ls y s t e m ， h l t 程硕一l ：学位论文 t h ep a p e rt r i e st od e s i g ni t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dc o m e su pw i t ht h es c h e m eo f t a k i n ga u s t r i ab a c h m a n n sm x 2 13p r o c e s s o ra st h em a i nc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gt h e s e l e c t i o no fc o n t r o lm o d u l e ，t h ed e s i g no ft h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dt h ew r i t i n go ft h e f l o wc h a r ta c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p m s g ；m p p t ；w i n d - d i r e c t i o ns e n s o r s ；a u t o m a t i cy a w ；p l c i v 直驱水磁风力发电机组偏航系统的设计 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 课题的背景1 1 1 1能源危机与环境污染l 1 1 2 发展风力发电的必要性l 1 2 课题的研究现状一4 1 2 1 风力机发电技术研究发展现状一4 1 2 2变速恒频风电技术研究发展现状4 1 3 课题研究的意义与主要工作7 1 3 1 课题研究的意义7 1 3 2 课题研究的主要工作一7 第2 章直驱永磁风力发电系统9 2 1 直驱永磁风力发电机组的基本结构9 2 2 风能对风力发电的影响1 1 2 2 1 风能的计算1 1 2 2 2 自由流场中的风能1 2 2 3 风力机模型14 2 3 1 风力机功率特性1 4 2 3 2 最大风能捕获运行原理16 2 4 本章小结一18 第3 章偏航系统功能和原理1 9 3 1 偏航控制单元19 3 2 风速变化的模型2l 3 3 风向和风速2 2 3 3 1 风向的测量一2 2 3 3 2 风速的测量一2 4 v t 程硕卜学位论文 3 4 偏航角度和方向的计算2 5 3 5 本章小结2 7 第4 章偏航系统的硬件设计2 8 4 1 偏航控制机构2 8 4 1 1 偏航控制器2 8 4 1 2 风向传感器3 0 4 1 3 电缆缠绕传感器3 2 4 1 3 振动检测器3 4 4 2 偏航执行机构3 6 4 2 1 偏航执行装置3 6 4 2 2 偏航轴承4 0 4 2 3 偏航制动器4 1 4 3 本章小结一4 2 第5 章偏航系统的软件设计4 3 5 1 偏航控制器功能分析4 3 5 1 1 偏航控制器的控制功能和参数4 3 5 1 2 偏航控制器的程序构架4 3 5 2p l c 主控单元程序4 5 5 2 19 0 度侧风控制程序4 6 5 2 2 自动解缆控制程序4 8 5 2 3 人工偏航控制程序4 9 5 2 4 自动偏航控制程序51 5 2 5 温度巡检子程序5 2 5 3 本章小结。5 3 结论5 4 参考文献一5 6 致谢6 0 附录a 攻读学位期间参加的科研项目6 l 附录b 偏航控制部分程序一6 2 v i 【 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 插图索引 图1 1 最为广泛的变速恒频风力发电方案6 图2 1 直驱永磁风力发电组结构示意图9 图2 2 永磁同步电机结构模型1 0 图2 3 风轮的气流图1 2 图2 4x e 9 3 2 0 0 0 型风力发电机组的功率特性曲线1 5 图2 5 叶尖比与风能利用系数的关系17 图3 1 偏航控制系统原理框图2 0 图3 2 模拟风速2 2 图3 3 风力发电机组常用的风向传感器2 3 图3 4 风向玫瑰图2 4 图3 5 风杯风速计2 5 图3 6 锐角顺时针偏航2 6 图3 7 钝角顺时针偏航2 6 图3 8 钝角逆时针偏航2 7 图3 9 钝角逆时针偏航2 7 图4 1 偏航控制器接口关系意图2 9 图4 2b a c h m a n n 的m x 2 1 3 处理器模块2 9 图4 3 风向传感器的原理图3 l 图4 4x e 9 3 2 0 0 0 型风力发电机组上使用的t e r 解缆传感器3 3 图4 5x e 9 3 2 0 0 0 型风力发电机组电缆缠绕传感器的信号一3 3 图4 6l e 2 1 8 3 振动检测器的电气连接原理图3 5 图4 7x e 9 3 2 0 0 0 型直驱永磁风力发电机组偏航执行机构示意图3 6 图4 8 偏航减速齿轮3 7 图4 9 偏航电机电气连接原理图4 0 图4 1 0x e 9 3 2 0 0 0 型直驱永磁风力发电机组结构示意图4 l 图5 1 偏航控制器平台构架4 4 图5 2s o l u t i o nc e n t e r 的软件环境一4 5 图5 3 风力发电机组的偏航控制系统主程序流程图4 6 图5 49 0 度侧风控制程序流程图一4 7 图5 5 自动解缆控制程序流程图4 9 图5 6 人工偏航控制程序流程图5 0 v n 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 附表索引 表1 1 世界风电机组制造公司累计装机容量2 表4 1l e 2 1 6 2 风向传感器的技术指标3 2 表4 2l e 2 1 8 3 风力发电机组振动检测器接线说明3 5 表4 3x e 9 3 2 0 0 0 型直驱永磁风力发电机组主要技术参数3 8 i x t 程硕j ：学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 能源危机与环境污染 能源是人类社会存在和发展的物质基础。在过去的2 0 0 多年里，建立在煤炭、石油、 天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。人类在大量使用化 石燃料发展经济的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏，主要表现为水污染、 大气污染、土地荒漠化、臭氧层破坏、绿色屏障锐减、温室效应、物种濒危、酸雨侵害、 垃圾积留、人1 2 1 激增等十大问题【l 】。经济规模的扩大和经济的快速发展，加快了一次能 源的消耗量，使非可再生能源化石燃料面临资源枯竭的严峻局面。特别是在工业发达的 国家能源需求快速增长，供需矛盾突出。 全球气温逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工业化进程的电力、能源所主要依靠 的化石燃料消耗的是越来越快，常规能源资源面临枯竭的危险。同时，随着人类活动的 加剧，自然生态环境却在不断的恶化。如何实现能源的持续发展，从而保证经济和社会 的可持续发展，已经成为世界各国必须解决的问题。为了不使地球再遭破坏，联合国要 求各工业国按照会议达成的协议有计划有步骤地降低二氧化碳等温室气体的排放量，这 也是一个全球可持续发展的战略问题【2 】。基于常规能源枯竭和环境保护的考虑，目前世 界各国都己经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源发展的方向，促使了近3 0 年来可再生新能源技术的显著发展与进步。开发利用风力已经成为世界能源可持续发展 战略的重要组成部分，绝大多数发达国家和部分发展中国家的2 1 世纪能源发展战略的 基本选择，就是开发利用风能，而风能的最重要的利用形式就是用风力进行发电。 1 1 2 发展风力发电的必要性 风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，在地球上的蕴藏量十分丰富，具 有广阔的应用前景。风力发电是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再生能源技 术，在远期有可能成为世界重要的替代能源。据理论计算全球大气中风能总的能量是 1 0 1 4 m w ，而且是可再生的，估计大约有3 5 x1 0 1 2 k w 的蕴藏风能可以被开发利用，比 地球上可开发利用的水能总量还要大l o 倍【3 1 。而且风用之不竭，不存在资源衰竭问题， 同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产和安装过程中需要消耗一定的 化石能源，进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力发电机发出的电力而言 则微不足道。 世界风电机组技术继续向着增大单机容量的方向发展，很多国家正在研制风轮直径 超过l o o m 的5 m w 机组，预计到2 0 1 5 年【4 】，单机容量将达到i o m w 。1 9 9 6 年至2 0 0 0 年，世界风电年平均增长率达到31 ，2 0 0 0 年末装机总容量为18 0 3 9 m w ，2 0 0 1 年束 达到2 4 3 2 0 m w ，一年增加6 2 8 1 m w ，增长率为3 4 8 。2 0 0 4 年全世界新增装机容量为 8 3 8 3 m w ，2 0 0 4 年底全世界风电装机总容量为4 7 6 7 1 m w ，2 0 0 5 年以来，全球风电累计 装机容量年平均增长率为2 7 3 ，新增装机容量年平均增长率为3 6 1 。2 0 1 0 年全球有 超过4 0 0 0 万k w 的新增装机容量并入电网，截至2 0 1 0 年底，全世界风电累积装机总容 量约为2 亿k w ，同比上年增长3 0 。目前，风电的年发电量约3 4 0 0 亿k w h ，风力发 电量已经占到世界总发电量的2 以上1 5 1 。表1 1 为世界风力发电机组制造公司累计装机 容量及市场占有率。 表1 1 世界风电机组制造公司累计装机容量 在累计风机装机容量上，到2 0 1 0 年初【6 1 ，欧洲的累积装机总容量约为7 6 5 5 3 万k w ， 占全世界风电总装机的4 7 9 ，一直是风力发电市场的领导者。但是，在新增装机容量 方面，欧洲只占2 8 2 ，亚洲达到3 0 ，北美洲达到3 9 3 ，在新增装机容量方面欧洲 已经失去领先地位，其中，中国和美国发展最快。目前，德国、西班牙和意大利三国的 工程硕七学位论文 风电机组的装机容量约占到欧洲总量的6 5 。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家 还有荷兰、英国、法国、葡萄牙、丹麦、奥地利、瑞典、爱尔兰。除欧洲之外，发展风 电的主要国家还有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有8 0 多个 国家正在积极开发和应用风能资源。 目前，世界各国风电装机容量排在前十名的国家分别为德国、西班牙、美国、丹麦、 意大利、印度、荷兰、英国、日本和中国。其中中国、德国、丹麦、日本、美国、西班 牙、荷兰、印度等国在风力发电技术的研究上投入了相当大的人力和物力，充分综合利 用了材料学、流体力学、特种电机、电力电子技术、自动控制理论、输变电技术等方面 的最新成果，建立了一系列评估风力资源的测量以及各种仿真模拟系统，发展了变桨距 控制及失速型控制的风力发电设计理论，研制出了双馈变速恒频及低速永磁等新型发电 机，开发了由计算机控制的单台及多台风力发电机组成的群体的自动控制技术，从而大 大提高了风力发电机组的稳定性及可靠性。许多国家已经形成了一整套有关风力发电场 的规划方法、运行管理与维护方式、各种的国家扶持优惠政策及法规等。 随着全球风能开发的快速发展，风能将会成为2 l 世纪所需的重要能源，同时我们 相信其它可再生能源也将会得到持续而快速的发展并得到充分利用，以满足人类对能源 不断增长的需求。我国的风能资源比较丰富，全国可利用的风能资源为2 5 3 亿k w ，风 能丰富地区的风能密度为2 0 0 - - 一3 0 0 w m 2 ，有效风力出现时间概率为7 0 左右，风速大 于3 5 m s 的全年累计时数在5 0 0 0 7 0 0 0 h ，可以说风力发电在我国具有得天独厚的优势， 非常具有大力发展的前景。2 0 1 0 年，我国风电场装机容量增长速度更加迅猛，新增装机 容量1 8 9 2 7 9 万千瓦，与2 0 0 9 年新增装机容量1 3 8 0 3 2 万千瓦比，2 0 1 0 年增长率为1 3 7 。 平均单机容量为1 4 5m w ，最大单机容量为5 m w 。2 0 1 0 年外资企业新增装机容量比例 下降到1 3 ，内资企业新增装机容量上升到8 7 i7 1 。随着我国风电企业兆瓦级产品实现 了大批量生产和安装，已经显著降低了风力发电的成本，为我国风电产业今后的大规模 发展奠定了坚实可靠的基础。 2 0 1 0 年底，风力资源丰富的内蒙古自治区在我国实现累计风电装机容量突破1 0 0 0 万千瓦，建成了辉腾锡勒、辉腾梁、巴音郭勒和赤峰等多处大型风力发电场，成为我国 风电装机容量最大的省份。这些都说明，我国风电产业经过多年进步后，已经经历了连 续快速发展的阶段。到2 0 1 0 年1 8 ，中国累计安装并网型风电机组2 7 5 8 1 台，装机容量约 4 4 7 3 3 2 万k w 。与2 0 0 9 年累计装机2 5 8 0 5 3 万k w 相比，2 0 1 0 年累计装机增长率为1 7 3 。 截止到2 0 1 0 年1 2 月3 1 日，中国风电累计装机超过1 0 0 万千瓦的省份超过l o 个。2 0 1 0 年，我国内资企业和合资企业安装的风电产品已占当年国内累计市场份额的8 0 9 ，国 3 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 产机组的市场占有率比2 0 0 9 年又有大幅度增长，大大超过外资企业，华锐风电的份额 最大，占累计总装机的2 3 2 ，内资与合资企业产品的2 8 5 。外资企业产品占2 4 1 ， 其中丹麦v e s t a s 的份额最大，占当年累计总装机容量的6 5 ，外资企业产品的3 3 8 。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 风力机发电技术研究发展现状 由于我国的经济发展快速，电力和能源紧缺，风力发电逐渐被国人重视。当前世界 上主流机型为变桨距控制的大型并网式风力发电机组，我国风电机组正向大容量风力发 电组发展。所以对风力发电机组控制系统的研究是必要的。风力发电将能迅速缓解我国 能源急需和电力短缺的局面。近几年中国出现大面积的缺电，风能发电对于缓解缺电具 有非同寻常的意义。这是因为风电的诸多优势中，一个重要特点是风电的建设快，不像 火电、水电的建设需要按年来计算，风电在有风场数据的前提下其建设只需要以月来计 算，即风场是可以在短时间内完成建设的【9 1 。世界风电正在以3 0 甚至在部分国家以6 0 以上的增速发展，参考世界发达国家的经验，我国完全有可能以迅速发展风电的模式 来解决我国燃眉之急的电力短缺。 风力发电技术在广义上不仅包含风力发电机组的研究、生产，还应包括风电场的选 择和管理，风力发电的经济性研究等内容。本文所讨论的是狭义上的风力发电技术即风 力发电机组的设计。目前风力发电机组主要面临两个需要解决的问题，一是风力发电机 组效率的提高，另一个是风电质量的控制1 0 j 1 1 。提高风能利用率，降低风电成本是发展 风电事业的必备前提，许多学者在风力发电设备和风电系统性能改善方面进行了大量的 研究，但未取得满意的成果，现代控制技术和电力电子技术的发展为上述两个问题的解 决提供了技术基础，应用这些最新发展的技术开展对这两个关键问题的研究，对风力发 电技术的进步具有重大意义。 1 2 2 变速恒频风电技术研究发展现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变速恒频的 发展。在变速恒频风力发电系统中，主要分为双馈型和直驱型。双馈型风力发电系统由 于其变流器容量只占系统额定功率的3 0 ( 滑差功率) 左右，能较多的降低系统成本，因 此双馈型系统受到了广泛的关注。与双馈型相比，直驱型采用低速永磁同步发电机结构， 无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低，而成为风力发电机组的主要发展 方向1 1 2 1 。 4 丁程硕j ：学位论文 变速恒频风力发电机组是风轮转速随着风速的变化而变化，可以更有效地利用风 能，并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。风轮转速能在一定范围内变化，可 减少风力波动对机组的冲击，有利于风力机的安全运行。变速恒频风力发电机组的显著 优点已得到各个风机研究机构和生产厂商的普遍承认，即将成为未来的主流机型。 对于恒速恒频风力发电机组运行而言，变速恒频运行有如下优点【1 3 】： ( 1 ) 最大限度的利用。能够吸收阵风的能量，把阵风能量存储在机械惯性中，减少 机械应力和转矩脉动，从而减少阵风冲击带来的疲劳损坏，极大的延长风机使用寿命。 当风速忽然下降时，高速运转的风轮的能量又能释放出来变为电能送给电网，稳定风机 的功率。 ( 2 ) 风能利用效率高。变速运行使风机在最佳叶尖速比运行，提高了风力机的运行 效率，与恒速恒频风力发电机组相比，年发电量般可提高四分之一左右。恒速运行风 机的运行时间也小于变速运行风机的运行时间，输出功率上限也明显低于变速运行方 式。 ( 3 ) 变桨距调节简单化。变速恒频运行放宽对桨距控制响应速度的要求，在低风速 到额定风速时，桨叶节距角固定不变：当达到高风速时，调节桨叶节距角限制最大的输 出功率，保证发电机的正常运行。 可用于风力发电的变速恒频发电系统有许多种，这些变速恒频发电系统有的是通过 改变发电机本身结构，有的是通过发电机与电力电子装置相结合来实现变速恒频的，它 们都有自己的优点。目前应用最为广泛的变速恒频有以下四种方案，如图1 1 所示。 在a 、b 、c 、d 方案中，无刷双馈电机没有电刷和滑环，既降低了发电机的生产成 本，又提高了系统运行的可靠性，减少了维护，并且还只要采用部分功率的变频器即可， 因此具有很好的发展前途，但是由于结构复杂，还有待进一步的深入，所以目前还很在 研制阶段。而b 方案的交流励磁双馈电机虽然多了滑环和电刷，但是由于变频器功率大 大降低，并且由于滑差能量回馈到电网，效率高很多，所以非常适合于大容量风力发电 场合。另一种普遍的就是方案a ，永磁同步发电机利用永磁体代替转子励磁磁场，其结 构比较牢固、简单，该系统也不需要齿轮箱，且转速低，机械损耗小，便于维护；另外 该系统不需要外部励磁，在低风速下可以高效率发电，易于实现电网故障下发电机系统 的不间断运行。缺点是需要全功率变频器，增加了成本，发电机的成本也受永磁体成本 的限制【1 4 - 1 5 1 。但近年来随着永磁同步电机的不断成熟，也已经大量的进入兆瓦级大功率 应用场合。 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 电网 ( a ) 电网 ( c ) 屯网 ( b ) 发电机 电网 ( d ) 图1 1 最为广泛的变速恒频风力发电方粟 ( a ) 永磁i z - - j 步发电机风力发电系统( ”交流励磁双馈发电机风力发电系统 ( c ) 笼型异步发电机风力发电系统( d ) 无刷双馈发电机风力发电系统 基于变速恒频运行、变桨距角调节的直驱永磁同步发电机现己成为大多数风机制造 厂商研究的热点。直驱永磁风力发电机组的运行可分成两个主要方式：额定功率输出运 行和最大功率输出运行。在达到启动风速后一直到额定风速的过程中，风机做定桨距变 速运行，这时通过控制变频器的输出功率来控制发电机输出转矩，从而调节风轮的转速， 使风轮转速保持在最佳叶尖速比，实现系统追踪最佳功率曲线和最大风能的捕获【1 6 】：当 风机运行在额定风速以上时，风机变桨距机构开始动作，改变桨叶节距角，调节叶轮的 受力，减小叶轮从风能中吸收的机械能量，保持风轮的转速不变，使风机的输出功率稳 定地保持在额定功率，这样也防止风轮超过转速极限和功率极限而发生风机的损坏。 综上所述，为提高风力发电机组的效率和改进风电的品质，现在大部分的研究都着 眼于提高风能利用系数和研究变流电路及其各式各样的控制方法，以及风电并网后对整 个系统的影响。在变速恒频风力发电系统中，采用双馈电机的变流器结构及其控制策略 的研究已经很充分，并且技术已经相对成熟，而对直驱永磁风力发电系统的研究才刚开 6 t 程硕l ：学位论文 始，并且在我国大型直驱永磁风力发电系统的运行实例还相当少，有不少处于测试过程 中，还有很多问题值得去解决【1 7 】，其中风力发电机组控制技术的研究是不可或缺的一部 分。直驱永磁风力发电机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是非常 困难的，因为自然界中风是不断变化的，特别是在额定风速以上，风力发电机有可能受 到很大的静态或动态的冲击，因此对风力机组的控制就非常必要了。 1 3 课题研究的意义与主要工作 1 3 1 课题研究的意义 风力发电在能源开发中越来越占有重要的位置，风力机也在日益大型化，我国风电 发展较晚，技术相对比较落后，但近几年发展十分的迅速，2 m w 级风力机组早已量产， 而3 - 5 m w 的风力发电机组也在研制中。但是目前风力发电成本一直居高不下，使其 成为制约我国风力发电发展的主要因素，其中基本原因是一方面风电机组关键部分( 电 控系统) 的设计水平还不高，另一方面是风力发电机组多为定桨距的小功率风力发电机 组，不能实现风能的最大捕获，发电效率低。风电场业内人士指出，只有我们不断的研 究大型风电机组并实现相应的先进电控系统并网运行，不断提高风力发电机组的效率， 再通过国家的补助，才能使风力发电成本达到与常规能源的发电成本持平的水平，达到 良性发展。由此可见，我国发展风力发电的主要方向就是提高国产风电机组技术水平， 以及通过改变控制技术提高风能利用率，进一步降低发电的成本1 8 】。因此，研究开发具 有自主知识产权的控制系统势在必行，具有重大技术、经济和社会意义。 1 3 2 课题研究的主要工作 本课题是围绕着由湘潭世通电气有限公司和湖南大学、湘电风能有限公司共同提出 的科研课题“兆瓦级风力发电机组控制系统 来进行的。本文针对永磁直驱风力发电机 组偏航系统进行了相关的研究和设计，主要的工作包括： ( 1 ) 首先广泛查阅国内外的相关文献资料，了解世界风力发电技术的发展状况及最 新技术成果。对风力发电机组控制系统和控制问题进行综述，在此基础之上，详细的介 绍了几种广泛的变速恒频风力发电系统方案，最后指出了制约我国风力发电技术的主要 因素和风力发电的主要研究方向； ( 2 ) 介绍了直驱永磁风力发电系统的基本结构通常包含风轮、永磁同步电机、风力 发电机组控制系统、电力电子变流系统、并网单元等，对其中的永磁同步电机的结构和 数学模型做了重点分析。再从风能基础理论出发，对风力机的能量转换过程以及风力机 7 直驱永磁风力发电机组偏航系统的设计 的基本特性进行了介绍，建立了风力机的数学模型，从而为风机控制打下了基础，再从 保持最优尖速比和最大风能利用系数入手，根据变速恒频风力发电机组在不同区域的运 行情况，选择了风力机的基本运行策略； ( 3 ) 对风力发电机组偏航系统的基本原理和功能做了详细的介绍。本文针对测风装 置展开了较为详细的阐述，介绍了风向传感器和风速仪的工作原理。同时指出了由于风 向的不确定性，偏航的角度和方向也存在着多样性，本章详细的分析了各种偏航的角度 和方向。再以风向标检测的风向信号作为偏航跟踪控制系统的参考输入，设计跟踪控制 器控制偏航系统进行自动对风，使风力发电机组桨叶始终处于迎风状态，以获得尽可能 多的能量； ( 4 ) 根据所设计的直驱永磁风力发电机组的偏航系统，提出以奥地利b a c h m a n n 公 处理器模块作为偏航控制器的控制方案，根据偏航系统的相应要求进行了偏 和执行机构各部分的设计，其中包括偏航控制器、风向传感器、解缆传感器、 、偏航驱动装置等，重点对偏航电机的进行了计算和选型，以及它接线方式 后在s o l u t i o nc e n t e r 编程环境下对偏航系统进行了相应软件的设计。 8 t 程硕十学位论文 第2 章直驱永磁风力发电系统 风力发电系统发展到现在，主要发电形式有两种：一种是独立运行系统；另一种是 并网发电系统。独立运行系统一般为小型发电系统，单台装机容量约为5 0 0 w - - 5 k w ， 通常不超过l o k w ，它的构成为：风力发电机+ 充电器+ 电池+ 逆变器。并网运行的一 般为大中型风力发电机