直驱式永磁风力发电系统设计

直驱式永磁风力发电控制系统设计

泮斌斌

(浙江海洋学院 机电 学院，浙江 舟山 316000)

摘要

风力发电作为绿色能源在全世界迅速发展，这是解决世界能源危机的重要途径，在这个背景下本文对直驱式永磁风力发电控制系统进行了应用设计。

本文以风力发电的工作原理等基础理论为基本理论，得到一种控制风能的利用效率的变桨控制的基本控制策略；通过比较当前流行的几个风力发电机组的结构和不同控制方案之间的不同特点；分析了直驱式永磁风力发电的性能和特点，最终得出本机组需要采用以“同步高速、无刷励磁旋转、全功率的逆变’’为核心的技术路线。

本论文最后完成了风力发电机控制系统的设计，以控制系统所要实现的功能为基础，根据控制系统的要求，分析了系统输出和输入的信号，简单阐述了组成控制系统的硬件系统的可编程处理器和最主要的控制信号变送器，确定了传感器的类型以及各硬件的配置；以这些为基础讨论了一些控制系统的控制策略，研究设计了主程序的流程图，变桨距控制图，并详细的研究了变桨距的控制过程，得出了控制原理和结构组成。 关键词：风力发电机；控制系统；变桨控制

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ABSTRACT

Wind power as the rapid development of green energy in the world, it is important to solve the world energy crisis means, in this context of this paper, direct-drive permanent magnet wind power control system for the application design.

In this paper, wind power and other basic working principle of the theory of the basic theory, a control variable wind energy utilization efficiency of the basic control strategy for pitch control. A couple of current by comparing the wind turbine structure and the difference between the different characteristics of the control program; Analysis of direct-drive permanent magnet wind power generation performance and features, and ultimately come to the unit needs to adopt a \high-speed, brushless rotary, full-power inverter technology''as the core line.

Finally completed the wind turbine control system to control system functions to be achieved, based on the control system according to the requirements of the system output and input signal composed of a simple control system described in the

programmable hardware system The main control signal processor and transmitter, to determine the type of sensors as well as the hardware configuration; Based on these discussions a number of control system control strategy, research and design of the main program flow chart, variable pitch control charts, and detailed study of the pitch control of the process, obtained the control principle and structure.

KEY WORDS：wind turbine；control system；pitch control

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目录

第一章 绪论 ........................................................................................................................1

1．1引言 .....................................................................................................................1

1．2风力发电在国内外发展现状和趋势 ........................................................................1 1.3 风力发电原理 .........................................................................................................5 1.4 风力发电机结构......................................................................................................6 1.5 选题依据和意义......................................................................................................6 第二章 风力机的相关理论及本系统的结构...........................................................................9

2．1风电机组的工作原理 .............................................................................................9 2．2风力发电机组的分类 ........................................................................................... 10

2.2.1 水平轴风力发电机....................................................................................... 10 2.2.2垂直轴风力发电机 ....................................................................................... 10 2.3并网型风力发电机组.............................................................................................. 11

2.3.1双馈风力发电系统...................................................................................... 11 2.3.2直驱式风力发电系统 .................................................................................... 12 2.3.3三相同步发电系统 ....................................................................................... 13

第三章 直驱式永磁同步风力发电系统................................................................................ 14

3.1概述 ...................................................................................................................... 14 3.2变桨距系统控制..................................................................................................... 14 第四章 风电机组控制系统的设计....................................................................................... 17

4．1风力发电机电动变桨控制系统硬件结构 ............................................................... 17

4．2 变桨系统的控制策略 ........................................................................................ 18 4．3控制系统的软件设计 ........................................................................................... 18

4.3.1变桨控制系统软件设计 ................................................................................ 19 4.3.2 偏航控制系统软件设计................................................................................ 21 4.3.3故障报警和联锁保护 .................................................................................... 22

第五章 总结与展望............................................................................................................ 23 致谢 .................................................................................................................................. 24 [参考文献] ........................................................................................................................ 25

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第一章 绪论

1．1引言

发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等一些可以再生的能源作为对新世纪气候变化和能源双重的挑战的一个重要手段。但是除了水能之外的其他可再生能园之中，风能毫无疑问是世界上所公认的最最接近商业化的技术之一————和其他可再生能源相比，风能的经济性最明显，而且产业化的基础最好，也不存在生物能的资源约束问题，另外也没有其他大的环境影响，在可预见的时间内（2030—2050年），都将是最有可能大规模发展的能源资源之一[18]。

1．2风力发电在国内外发展现状和趋势

风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂 暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

在过去的5年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。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。根据丹麦BTM咨询公司报告，2009年全球有超过3810.3万kW的新增装机容量并入电网，营业总额达到500亿欧元。截至2009年底，全世界风电累积装机总容量约为1.6亿kW，同比上年增长31%.目前，风电的年发电量约3400亿kWh，风力发电量已经占到世界总发电量的2% 以上。

在累计装机容量上，欧洲仍然是风力发电市场的领导者，截至2009年底，其累积装机总容量为7655.3万kW，占全世界风电总装机的47.9%，提前超额完成了到2010年风电装机容量达到4000万kW的目标。但是，在2009年新增装机容量方面，欧洲只占28.2%，北美洲达到39.3%，亚洲达到30%0，欧洲已经失去其领先的地位了，中国和美国成了推动全球风电产业的火车头。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。未来的20年之内什么将会是世界

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上发展速度最快的能源呢，毫无疑问一定是风电。

目前近海风电场的开发主要在欧洲的丹麦、英国、荷兰、瑞典、爱尔兰、德国等国家。到2009年底，已有834台共211万kW的风电机组在海上风电场投入运行，约占全球累计风电装机容量的1.3%. 2009年新增海上风电场9个，新增海上装机容量68.9万kW，新增海上风电机组224台，最小单机功率为2MW，最大装机功率5MW。其中：英国新建3个海上风电场（30.6万kW)、丹麦一个(20.7万kW)德国一个(6万kW)。

1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。

今年一季度，我国风力发电量达到188亿千瓦时，增长60.4%。这一数据表明，风电发

展依然延续着“十一五”时期高速发展的态势。经过30多年、尤其是“十一五”的快速发展，我国风电取得了辉煌成就，目前，我国已成为世界第一风电大国。

我国风电高速发展背后有着怎样的原因？目前风电发展面临哪些制约因素？“十二五”时期风电产业应如何转变发展方式，促进我国实现从“风电大国”向“风电强国”的转变？记者就这些问题采访了国家能源局有关负责人和风电企业代表。

国家能源局数据显示，今年一季度，我国风力发电量达到188亿千瓦时，增长60.4%，增速居各大能源发电之首。

“风电投产容量和电网的优化调度是一季度风力发电迅速增长的两大主要因素。”国家能源局可再生能源司副司长史立山分析。此外，北方供热期基本结束，保证热电联产和居民用热的那部分电网调度被释放出来，也为风电调度腾出了空间。

一季度风电发展与“十一五”风电高速发展趋势不谋而合。“十一五”期间我国风电装机容量连续5年实现翻番，成为世界第一的风电大国。截至2010年底，我国风电总装机容量已经超过4000万千瓦，已居世界第一位。

“中国政府出台的一系列鼓励政策对风电发展起到了决定性推动作用。”神华国华能源投资公司董事长解建宁指出，“十一五”时期，我国陆续出台了《可再生能源法》及《关于风电建设管理有关要求的通知》、《可再生能源中长期发展规划》等一系列配套政策和实施细则，这些政策为风电长远发展提供了法律保障。去年，我国用于可再生能源发电的补贴高达120亿元，这为风电发展打下了坚实基础。

华能新能源股份有限公司执行董事兼副总经理何焱指出，在巨大市场需求的推动下，我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一，部分风电机组制造企业进入全

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球前十强，国内制造商已经占据中国市场份额的85%以上，龙源、大唐新能源及华能新能源等三家风力发电运营商位列全球前十。

与此同时，我国风电装备制造企业的技术创新能力也在不断增强，初步实现了大功率风电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新，以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦级风电机组下线和运行，都充分证明了我国的风电技术已达到国际先进水平。

据国家能源局测算,到2015年,我国风电装机将达到1亿千瓦,年发电量超过2千亿度,节约标煤约8000万吨左右,在整个能源中所占的比重将由2010年的0.5%增加到2%左右。 快速增长之后,行业和政府都已意识到,风电发展将进入转型和理性发展时期,在政策层面将不再一味发展大型风电基地,分散式开发和海上风电将成为下一步热点。

“为促进风电规模化发展,过去提倡建立大基地融入大电网,但当前更希望在此基础上,支援资源不太丰富的地区,发展低风速风电场,倡导分散式开发”,史立山表示,分散式开发将是未来风电发展的一个方向。他表示,这并不意味着就放弃原来的大基地路线,而是“两条腿走路”,让企业不要只关注大基地建设而是将眼光放在全国,如云南、安徽、湖北、湖南、江西、山东、山西等。

他指出,过去风电投资过于集中在内蒙古和东北等地,在投资热潮中地方政府急功近利,对产业布局和技术进步造成不利影响,必须要保持合理的发展速度保留技术成熟的空间。未来行业发展也会更加朝科学精细化发展,注重提高质量和效率,海上风电也将是发展重点。 中国利用风能己有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前东汉刘熙著作里有“随风张慢曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成，

山东省近些年来经济一直走在全国的前列。但伴随着这一成绩而来的，是山东成了全国的用电大省。作为半岛的制造业基地，烟台更是用电大市。靠山吃山，靠水吃水。占尽“山水”优势的烟台人，在破解供电紧张的难题时，没有忘记自己的另外一个优势：风。站在“风口”的烟台人，自然抓住了这一有利时机。于是人们的目光开始投向风电。

烟台位于山东半岛东部，海岸线长、海岛多、高山丘陵多，风力资源丰富，发展潜力巨大。年平均风速在3.0——4.0米/秒之间，有效风能密度为178 瓦/平方米，有效风速为3810小时，总体属于风能比较丰富的地区，达到国家三类风场标准。特别是位于辽东半岛和胶东半岛峡口地带、作为全国三大风场之一的长岛，正处于渤海海峡风道上，其指标要远远高于这个平均数字。据测定，年平均风速6.86米/秒，有效风速（3——25米/秒）达8279个小时,平均有效风功率密度为每平方米325瓦。1998年，烟台第一台风力发电设备在长岛建起，次年9月正式并网发电。该项目填补了山东省电力行业绿色能源的空白，成为全省第一个商业化运行的风电场。如今，华能长岛中电公司、长岛联凯风力发电公司逐年围绕风力发电科技创新， 发展最大、最具可持续发展能力的生态工业项目。除此之外，莱州、蓬莱、龙口、海阳、栖霞等区市年平均风能密度也在150——200 瓦/平方米之间，完全可用于并网型发电。 在中国，风能发电是非常有前景的行业，这现在是一个很热门的话题。中国的《可再生能源法》规定了电力企业中可再生能源应该占一定比重。去年，我们在沈阳的风机组装厂已经投产，将为中国和亚洲日益增长的风电行业提供支持。此外，我们还希望能够在核能和太阳能

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等可再生能源领域有更多的发展。

在环境保护方面，中国必须以一种低成本、高效益的方法来解决这些问题。由于风能是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用。这就给了中国一个走在世界前头的机会。风力发电是可再生的绿色能源，发电过程不产生任何污染物，风能利用作为朝阳产业充满了巨大的商机和经济效益。风能是对人类生存环境影响最小的能源。除此之外，风能资源非常丰富，取之不尽，用之不竭。国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国内外市场发展风力发电。“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。

我国能源结构及能源可持续发展必须满足国民经济可持续发展的要求。为此,大力发展风电和快速提高风电设备制造技术水平是我国能源建设的当务之急。 省（自治区、直辖市）和地区 内蒙古 河北 辽宁 吉林 黑龙江 山东 甘肃 江苏 新疆 宁夏 广东 福建 山西 浙江 海南

2008年累计 3650.99 1107.7 1224.26 1066.46 836.3 562.25 639.95 645.25 576.81 393.2 366.89 283.75 127.5 190.63 58.2 4

2009新增 5545.17 1680.4 1201.05 997.4 823.45 656.85 548 451.5 443.25 289 202.45 283.5 193 43.54 138 2009年累计 9196.16 2788.1 2425.31 2063.86 1659.75 1219.1 1187.95 1096.75 1002.56 682.2 569.34 567.25 320.5 234.17 196.2 北京 上海 云南 江西 河南 湖北 重庆 湖南 广西 香港 小 计 台湾地区 总 计 64.5 39.4 78.75 42 48.75 13.6 1.65 0.8 12019.6 358.15 12377.75 88 102.5 42 42 12.75 13.6 3.3 2.5 13803.2 77.9 13881.1 152.5 141.9 120.75 84 48.75 26.35 13.6 4.95 2.5 0.8 25805.3 436.05 26341.35 图1.1中国风能专业委员会 2010年统计

1.3 风力发电原理

风能资源丰富区：包括新疆克拉玛依、甘肃敦煌、浙江舟山、福建平潭等地区，风能功率密度在200～300瓦/米2以上，有的可达500瓦/米2以上。

风能资源较丰富区：包括青藏高原的班戈地区、唐古拉山，西北的奇台、塔城，华北北部和东北一些地区（即通常所说的“三北”丰富带），以及沿海的烟台、莱州湾一带。内陆个别地区由于湖泊和特殊地形的影响，形成一些风能丰富点，如鄱阳湖附近地区和湖北的九宫山、利川等地区。

目前，全球都面临着能源挑战，气候变化，日益增长的能源需求，能源安全问题得到广泛关注。

风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

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1.4 风力发电机结构

风力发电机由机舱、塔架和叶轮组成。风的作用使叶轮旋转，而叶轮转动带动发电机，最后发电机产生电

控制器：风机的控制装置就是一台计算机，它能检查各个部件的工作状态，如果某个部件停止了工作，控制器就通过计算机向中央监控室报告故障。

电缆：机舱内发电机产生的电流通过电缆线进入控制柜。

梯子：所有塔架内都有一个梯子，使你能够爬到机舱上，梯子接近塔壁，以便于在你爬下或者爬上梯子时可以用后背紧靠塔壁，以保证安全。 灯：塔架没有朝外的窗户，因此塔架内的照明很重要。

法兰：法兰上的螺栓保证塔架上的各个部分紧密相连。 平台：塔架内有2个或者3个的平台供维护人员休息。

叶轮：叶轮被固定在大的主轴上，大的叶轮有三个吸收风能的叶片，风速足够大的时候就会驱动叶轮旋转。

主轴：主轴与齿轮箱连接，叶轮用很大的力使得主轴转动，因此轴必须足够粗！

偏航轴承：巨大的齿轮环被安装再机舱下部、塔架内，齿轮环与偏航电机的齿相啮合，这样使得机舱偏航对风。

偏航电机：偏航电机将机舱转动以便使叶轮准确对风！

齿轮箱：大型风机叶轮的旋转速度再每分钟27转左右，而发电机的转速要在每分钟1500转左右，因此就需要齿轮箱将27转变为1500转。

机械刹车：当风机需要被维修或者例行维护时，机械刹车将叶轮锁定，使其停止转动。

高速轴：高速轴将来自齿轮箱的能量传递到发电机，此时高速轴的转速达到每分钟1500转

发电机：发电机达到转速后开始产生电流，电流通过粗的电缆被送到塔架下面的控制柜。

散热器：发电机高速转动时产生热量，如果温度过高发电机就会损坏，这就是为什么电机需要冷却。在一些风机上采用水冷方式，而散热器再将水冷却

风速仪：风速仪用来测量风的速度，它将风速信息传到控制器中。

风向标：风向标随风向摆动，他告诉控制系统风的方向，计算机启动偏航电机偏航使叶轮对风。

控制器：风机控制柜是一台能控制风机各个部件的计算机，计算机使机舱偏航对风，当风速仪所测风速达到某一定值时，计算机发出命令释放刹车，使叶轮转动。

1.5 选题依据和意义

风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产

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业是摆在我们面前的现实课题。

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，随着商业化程度和市场竞争力的不断提高，作为风能主要利用形式的风力发电已经成为当今世界最主要的可再生能源技术之一。目前，风电在全球100多个国家和地区都有应用，在电力供应中占有很高的比例，例如丹麦的风电已超过整个电力供应的20%，西班牙达到了14.3%。未来各国风电发展目标更加宏伟，丹麦计划2025年风电占到整个电力的50%，美国提出了2030年风电占整个电力的20%目标，欧盟2020年20%可再生能源电力的目标中将有一半来自风电。

我国幅员辽阔、海岸线长，风能资源非常丰富。中国气象局最新调查结果显示，我国海陆50米高度处风能潜在可开发量约为25.8亿千瓦，开发潜力巨大。经过30多年、尤其是“十一五”这5年的快速发展，我国风电取得了辉煌成就。

据初步统计，2010年我国风电新增装机超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，“双居”世界第一。在巨大市场需求的推动下，我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一，部分风电机组制造企业进入全球前十强，国内制造商已经占据中国市场份额的85%以上，并开始出口海外。我国风电装备制造企业的技术创新能力也不断增强，初步实现了大功率风电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新，以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦级风电机组下线和运行，都充分证明我国的风电技术已达到国际先进水平。市场规模的迅速扩大和技术创新能力的快速提升也促进了我国风电产业的全面发展，一个集原材料、零部件、整机和服务业的完整产业体系已初具轮廓。

我国已形成了以《可再生能源法》为核心的风电政策体系，电价更加合理、发展目标更加清晰、发电企业与电网的责任更加明确，为风电发展提供了非常有利的政策环境。已经取得的成绩证明，资源、产业以及政策完全可以支撑风电在我国节能减排中担当重任。更长远地看，这些有利条件还可能支撑风电逐步迈向我国主流电源行列。

不过，我们也应看到，风电在我国电源结构中的比重仍不到1%，很多人仍然没有意识到风电在未来以“科学、绿色、低碳”为特征的新型能源体系中的重要作用，并网和应用依然是近期风电发展的最主要障碍。站在目前4000万千瓦装机的新起点上展望未来的风电蓝图，壮志满怀之余，各方还应合力解决以下五个问题，才能在新的征程上实现我国风电产业又好又快发展。

第一，发展和应用清洁能源是每个人的社会责任，要通过普及宣传，让全社会都认识到，加强包括风电在内的可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，是人类社会实现可持续发展的必由之路，从而为风电发展营造良好的舆论氛围。

第二，欧洲的经验表明，风电并网和应用的主要障碍是观念和利益协调问题，要通过政策完善和体制机制创新，理顺利益结构，协调风电与其他行业的发展关系，破解风电并网瓶颈。

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导通压减低、电流能力大的优点，而且还有驱动功率小、工作速度快的优点。而直流环节可以维持母线的电压恒定是因为并有一个大的电容。[27]

这个风电系统有以下几个优点：首先该方案可以独立的设计逆变器的部分，并且在一定的程度上实现了该系统的解耦控制，并提高了系统运行的可靠性；其次低速电机是本系统中的永磁同步电机，他可以和风力机非常好的匹配，而风力机也可以直接和永磁发电机耦合，使机组的结构大大的简化，省去了其他的发电系统中的增速箱，降低了噪音并也减小了发电机的维护工作；最后该发电机有体积小，效率高，结构简单，损耗小，重量轻等等特点。既然有优点，缺点也是必不可少的，他的缺点就是需要2个全功率的电力转换器，不过比起升速系统中所使用的升速齿轮箱结构，他的应用，可能还是以后风电发展的一个趋势。[22]

直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。

2.3.3三相同步发电系统

近些年来随着电子电力技术的发展，在电网和同步发电机中使用变频装置，已经从技术上解决了“刚性连接”的问题，使用同步发电机的方案再次得到了人们的重视。小型风力发电系统一般由风力机直接驱动三相永磁同步发电机发电，发电机输出地三相交流电。原始的恒速恒频风力发电系统使用的是比较常见的三相同步发电机，风力机使用定桨距的控制技术，发电机与电网通过断路器直接连接在一起，发电机还通过齿轮箱和风力机连接在一起。因为同步发电机在运行中，不仅能输出有功功率还能提供无功功率，他的电能质量高，频率稳定，所以现在已经被电力系统广泛的使用。但是，风速的无规律变化，使得作用在转子上的转矩很不稳定，在并网的时候他的调速的性能非常难达到同步发电机的精度要求，所以他在风力发电几组上的使用效果达不到理想要求。因此三相同步发电系统需要励磁机构和调速机构对同步发电机的电压、频率和功率进行为之有效的控制，不然可能会造成非常严重的无功振荡与失步。

普通三相同步发电机的风电系统结构的示意图如图2.4所示。风力机的功率的控制使用了变桨距的调节方式是为了能够捕获到最大的风能。全功率变换器的变速恒频同步风电系统是由发电机的转子侧经由励磁控制器来调节发电机的励磁电流达到控制发电机定子侧的输出电压幅值和定子侧经由电网和功率变换器来实现的“柔性连接”来构成的。[24]

图2.4 三相同步风力发电机型风力发电系统

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第三章 直驱式永磁同步风力发电系统

3.1概述

直驱式风力发电系统并网使用了低速永磁多级发电机，所以无需安装交流发电机和风力机之间的升速齿轮箱，无齿轮可以直接驱动系统。他的优点是：没有齿轮箱的使用，使得电能生产的机械传动链被大大缩短，也使得机组的水平轴长度减小很多，大大降低了维修费用，并减少了齿轮箱旋转产生的磨损，噪音和损耗等等，增大了发电机组的工作寿命，使之更适合环保要求

直驱式永磁同步风力发电机控制系统如图3.1所示。

图3.1直驱式永磁同步风力发电机控制系统

使用了永磁同步风电机，将会把发出的频率和电压随着风速的变化而变化的交流电流经三相二极管的整流桥被整流成为直流，而后经过大电感的滤波之后，会得到一个比较平稳的直流电压，再经过DC-DC的变换成为升压电路，最后提供了幅值比较恒定的直流电压给需要的逆变电路，当逆变电路最终逆变成了和电网的频率一样的恒频的电能之后就能并网了。[15]因为在整个发电系统中，省去了发电机和风力机之间的传动结构，因此，这种结构引起了广泛的注意。在该系统中使用全公路车变频器，尤其是对容量大的风力发电系统来说变频器的容量显著增加了。这样就使控制结构比较简单，大大降低了系统的成本，并提高了发电系统的结构的硬性，使得系统的可靠性大大增加。

3.2变桨距系统控制

上述的控制研究都是以风力机在不变风速的条件下运行的，但是在较高的风速下，机组物理性能使得能量的获取收到了限制。当风速超过了额定的风速时，由于这时候随着风速提高，功率上升趋于平缓，一旦过了额定点后，桨叶就开始失速了，风速的升高导致功率有所下降，所以风能的利用系数大幅度的下降。而是用变桨距控制，可以不用担心风速超过了额定点后功率的控制问题，可以使发电机组的传动系统具有很好的柔性，使额定功率点仍然具有很高的功率系数，这是高于额定风速的时候系统的基本目标

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风机在正常工作时，主要是用的是功率控制，风力机浆距调节系统的灵敏度决定了功率调节的速度。起动变桨距风力机的时候风速比定桨距风力机低，因此将桨叶节距角转到合适的角度，可以使风轮具有比较大的启动力矩，使之启动更容易。

变桨距风力机是指整个叶片绕叶片中心轴旋转，使得叶片攻角在一定范围内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值，在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺浆。这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需要很大的刹车，启动性能好。在低空气密度地区仍然可以达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可以保持相对的稳定来保证比较高的发电量。但是由于增加了一套变桨距机构增加了故障发生的几率，而且处理变桨距机构叶片轴承故障难度大。变距机组比较适于高原空气密度低的地区运行。避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较显著。从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

什么是变桨距机构，简单来说就是在额定的风速附近，能够控制吸收的机械能还能随时调节浆距角，这是依靠风速的变化来实现的。它不仅减少了风力对风力机造成的冲击还保证了能够获取到最大能量。在整个并网的过程之中，变桨距控制还能够实现快速的无冲击的并网。整个风电系统的电能质量和发电效率的提高是因为变速恒频技术和变桨距控制系统互相配合。变桨距控制机构示意图如图3.2所示。

[9]

图3.2 变桨距控制机构

如图3-4所示。当桨叶节距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性。执行机构的模型描述了来自桨距控制器的桨距角指令到该指令的激励之间的动态传递函数。执行机构可以建模成如下的一阶系统。[13]

（3-1）

式中βref——给定桨叶节距角； β——桨叶节距角。

由图3-4可知，当风速达到起动风速的时候，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的功角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角。在额定风速的时候节距角基本保持不变，即不对其进行控制，当超过额定风速以后，改变桨叶节距角加以改变空气对其桨叶的功角，限制风力机捕获的风能，维持功率定。

[26]

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图3.4 桨叶节距角的变化

变桨距调节的优点是桨叶做的比较轻巧，受力比较小。为了能够最大可能的吸收风能变化为电能，同时在高风速下保持功率的平稳输出，浆距角可以随着风速大小从而进行自动的调节。他的缺点是故障率比较高，结构相对复杂。

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第四章 风电机组控制系统的设计

控制系统对于发电机组的可靠、安全运行乃至是整个风厂的正常运作都具有很重要的作用。风电机组的控制系统实际执行着运行状态的监控、安全保护工作甚至是风电机的正常运行控制。

硬件和软件程序2个方面的设计构成了控制系统的设计。控制电路设计，主要负责信号采集的借口电路以及处理器和传感器的选型都是硬件设计的主要内容。而软件设计主要是明确风电机的控制要求，然后制定相对的控制策略，再是根据风电机的控制策略实行风电机组的信号检测、运行控制和安全方面的设计。本论文主要设计的是软件部分。

4．1风力发电机电动变桨控制系统硬件结构

允许独立变桨距的三桨叶结构是当前大型风力发电机组主要使用的，图4.1是电动变桨距系统框图。变桨距伺服电机、电机驱动器、减速箱、UPS、控制器等构成了电动变桨距系统，每个叶片都具有他们自己独立的驱动装置来实现风机对叶片的异步控制。

图4.1 变桨距系统的构成框图

传动装置是以法兰连接铸在轮毂壁的托架上。叶片轴承的内齿和小齿轮互相啮合并且在电机旋转的时候调节叶片。驱动装置是由脉冲发送器的交流伺服电机和一个有从动小齿轮的三级行星式传动装置以及一个有制动装置和构成。该系统使用减速比176.8三级行星减速箱因为桨叶的重量大又有阻力作用，造成浆距角的变化比较慢，由于一般的伺服电机的转速比较高，因此需要减速机构。2叶片之间的最大许可相对偏差为0.3。叶片的同步运转是由控制装置来调节的。

机舱内的主控制器与轮毂内的变桨控制器之间通过DP总线连接，另外，变桨控制的供电电源是有机舱提供三相供电电源，DP总线及三相供电电源都是通过滑环连接。当风速高于启动风速需要由停机状态转为待机状态；或者是当风速高于并网风速，需要并网时；还有当风速高于额定风速且满足运行条件时，主控制器根据采集来的风速计算每个叶片需要调节的桨

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第五章 总结与展望

风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障，世界各国纷纷采取激励措施推动本国风电技术装备行业发展。为了推进风力发电事业的发展，最重要的一项任务是研究出运行可靠、逻辑清晰的风电控制系统，本文具体分析了风电机控制系统的控制过程，还对直驱式永磁风力发电控制系统进行了比较深入的系统的应用研究，并且已经取得了一些比较优异的成果，本文的主要工作可以归纳为：

1. 理解了风机的运行过程，还详细分析了控制系统的控制要求和功能，并且的除了

风电机组的整体控制策略和变浆控制策略。 2. 简单介绍了几种风电控制系统并深入理解了。

3. 使用SIEMENS STEP7 作为风电机控制系统的控制器，进行了系统的结构设计和硬件选

型。

4. 软件则设计了主程序流程图、偏航系统控制流程图、变浆控制流程图和安全保护设计。 风力发电机控制系统的设计不仅工作量大而且很多地方需要细致的研究，由于时间有限并且本人能力限制，该系统还需进一步的改进。

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致谢

大学四年不仅让我积累了知识，增强了实际操作能力，最让我留念的是来自老师、朋友、同学和家人的亲切关怀和无私帮助。

毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。

本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——浙江海洋学院，是她为我提供了学习知识的土壤，使我在这里茁壮成长；其次我要感谢机电学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的冯相忠老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。

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