毕业论文-开题报告-文献综述：风力发电机组的电气控制.Doc

1、1本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化风力发电机组的电气控制一、课题研究意义及现状中国农村仍有许多地区存在缺电、无电问题，而这些地区大多具有丰富的风能资源，因此，利用户用风力发电系统开发这些地区的风能资源，可以在一定程度上解决这些地区用电问题。户用风力发电系统由风轮机、发电机和整流逆变装置等部分组成。目前户用风力发电系统多使用永磁同步发电机，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，不消耗励磁功率，效率较高；没有换相装置和电刷，结构简单，运行可靠；采用稀土永磁同步发电机，更进一步提高系统发电效率。采用永磁同步发电机的户用风力发电系统一般由风轮机直接驱动发电机，省去齿轮箱，具有工作噪音小

2、，成本低，可靠性高等优点。无齿轮箱结构中，永磁同步发电机输出电压幅值与风速有关，频率也很不稳定，需要采用整流逆变装置对发电机输出电压进行调频调压后再对负载供电。其中变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景（1)传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，要风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上。(2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流

3、励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频。(3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒频发电系统更易实现并网操作及运行。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视。首先，它来自于自然，取之不尽用之不竭;其次，风力发电只降低了风的速度，并不产生任何有害的物质，对大自然没有污染。这些优势使得人们对它青睐有加。随着风力发电应用得越来越广，在整个能源结构中所占比例越来越大，风力发电技术要朝着大功率、高效率、直驱式、变转速、变桨距和最优控制等方向发展，达到提高机组运行性能、提高风能利用率、简化结构提高可靠性、减少材料消耗、降低机组重量、降低2

4、造价的目的。对我们能源节约的问题上有着重要的意义。二、课题研究的主要内容和预期目标本文以变速恒频直驱风力发电机为控制对象，对由其构成的风力发电系统及其相关的控制技术进行研究，研究内容主要包括以下几个方面：1.深入研究变速恒频风力发电技术2.针对变速恒频风力发电技术，相应提出同步风力发电机的控制策略;3.设计搭建实验平台，用于测试控制策略的可行性;4.完成主要控制部分的软件设计;5.结合平台完成实验并分析实验结果。三、课题研究的方法及措施1. 检索相关文献，了解风力发电的原理，以及对恒速恒频发电机的分析2在完成步骤的基础上，了解风力发电在具体生活中如何应用3研究控制系统中硬件部分与软件部分的组成

5、4选用所需要的仪器及电子元件5进行仿真模拟实验，验证此方案是否可行6. 发现问题及时与导师沟通7技术文档总结，完成毕业设计四、课题研究进度计划1、第 1-6 周：检索相关文献，了界相关技术背景、成果、技术及方法，对资料进行消化，进行理论准备，方案的考虑和设计。2、第 7-9 周：在完成步骤 1 的基础上，策划完总体设计方案。3、第 10-18 周：在完成步骤 1、2 的基础上设计软硬件电路。4、第 19-24 周：技术文档撰写，完成毕业论文，做好答辩用的 PPT，并作好答辩准备。五、参考文献1mukund R.patel. 风能与太阳能发电系统设计M.机械工业书版社，2009,1.2潘建, 孟

6、强.风力发电概述M. 沈阳工业大学出版社,1999,10. 3龙泽强.风力发电21 世纪的绿色能源J. 中国军转民，2002,2,15.4张端.一种新型的风力发电机设计J. 江南大学报,2010,6,16(4): 910.5张长敏.安全预评价在风力发电建设项目中的应用分析J.内蒙古电力技术,2010,4.36Marinescu, N Marinescu. Numerical computation of torque in permanent magnet motors by Maxwell stresses and energy method J.IEEE Trans. On Magneti

7、c s, 1988.4毕业论文文献综述电气工程及自动化风力发电机组的电气控制风能作为一种清洁能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球的风能约为2.7410 9兆瓦亿兆瓦，其中可利用的风能为210 7亿兆瓦，比地球风力发电上可开发利用的水能总量还要大10倍 1。风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水，磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。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叶片速度提升，来促使发电机发电。根据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

8、风轮是风力发电机的最主要部件，有桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转换成电能。在理论上，最好的风轮只能将约60%的风能转换成机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40%以上，在风力发电机输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出公里处增加7倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大 2。风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区或者不允许并网的地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为1

9、00W10kW,可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，林网风力发电是大规模利用风能的最经济方式，机组单机容量范围在2002500kW之间，既可以单独并网，也可以有多台，甚至成百上千台组成风力发电场，简称风电场 3。在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。下面简单介绍这两方面的情况。51 风力机的变浆距调节风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时

10、风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时，变浆距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比 4。较小的风速变化会造成较大的风能变化。由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多，可减少材料使用率，降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风力机有更好的能量输出，因此

11、比较适合于平均风速较低的地区安装。变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。2 变速恒频风力发电机变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，其结构如图 1 所示。它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁

12、的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有异步机和同步机的某些特性。交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用 5。交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功

13、率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是 1325V 变化的交流电，须经充电器整流，6再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流 220V 市电，才能保证稳定使用 6。通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而

14、发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台 200W 风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W 甚至 1000W 乃至更大的功率出 7。那么，多大的风力才可以发电呢?一般说来，3 级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒 4 米才适宜于发电。据测定，一台 55 千瓦的风力发电机组，当风速每秒为 9.5 米时，机组的输出功率为 55 千瓦；当风速每秒 8 米时，功率为 38 千瓦；风速每秒为 6 米时，只有 16 千瓦；而风速为每秒 5 米时，仅为 9.5 千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大 8。

15、风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒 3 米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，风力发电产业的发展前景是光明的。参考文献1李永东，苑国锋.中国风力发电的发展现状和前景M.电气时代，2006,03，1620.2姚兴佳，王士荣，董丽萍.风力发电技术的发展与现状M.可再生能源， 2006,01,8688. 3邓小凌，冯志文.我国风力发电产业发展的现状、问题与对策M.电力环

16、境保护，2001,17（3）：4851.4吴国祥, 黄建明, 陈国呈等.变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略J.电机与控制学报,2008,12(4):435441.5吴 国 祥 , 马 祎 炜 , 陈 国 呈 等 .双 馈 变 速 恒 频 风 力 发 电 空 载 并 网 控 制 策 略J. 电 工 技 术 学 报 ,2007,22(7):169175.76陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术M.北京:高等教育出版社，2002.7Datta R, Ranganathan VT. A simple position sensorless algorithm for rotor side fiel

17、d oriented control of wound rotor induction machine J. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(4): 786793.8 Ledesma P, Usaola J. Doubly fed induction generator model for transient stability analysisJ.IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(2): 388397.8毕业论文（20_ _届）风力发电机组的电气控制9摘

18、 要风能作为一种无污染的可再生能源，在当今能源短缺的情况下，开发风能变得尤为重要。问题是如何开发风能，因为自然界的风是瞬息万变的，风的不稳定性使发电系统更加复杂。控制系统对风力发电系统输出的稳定性有很大的作用，因此研究控制系统和控制过程是很有必要的。本设计主要根据风力发电的难题，对该领域的变速恒频技术进行研究。分析了变速恒频技术在风力发电中的重要性，通过改变转子励磁电流频率，从而改变转子转速，以达到最大风能最大功率俘获的目的。通过对变速恒频操作方法和操作过程的研究，使用双 PWM(脉冲宽度调制)来实现变频功能，由外部信号采集电路获取转子电流与转子速度，然后经过C8051F005 芯片来整合计算

19、出实现功率最大化的电流频率，最后通过同步电路、晶闸管驱动电路，从而控制整流器与逆变器中晶闸管的开关，实现变速恒频的目的关键词：风力发电；变速恒频；PWM；C8051F005 芯片；同步电路；驱动电路10AbstractWind energy as a clean renewable, in the case of the current energy shortage, so development of wind energy has become particularly important. The question is how to develop the wind energy,

20、because the wind has been changing in nature. The instability of wind makes the power system more complex. The control system play an important role in the instability of power systems output. Therefore it is necessary to research the control system and the process of controlling.In accordance with

21、the problem of the wind power, researching to variable speed and Constant frequency technology in this field. Analysis the importance of variable speed and constant frequency in wind power generation, By changing the frequency of the rotor excitation current, to change the rotors speed, and catching

22、 the purpose of maximum wind power.By research to variable speed and constant frequency technologys Operating methods and procedures. using double PWM (Pulse Width Modulation) to achieve the feature of constant frequency. By an external signal acquisition circuit for the rotor current and rotor spee

23、d. Then Calculate the Current Frequency in Power maximization by c8051f005 chip. finally through Synchronization circuit and Thyristor drive circuit, To control the rectifiers Thyristor and the inverters Thyristor. To achieve the purpose of variable speed and constant frequency.Key words：wind power ; variable speed and constant frequency ; PWM; c8051f005 chip analysis simulation ; rectifier ; Thyristor； inverter