1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 风力发电机组的电气控制 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1 摘 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
2、。 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 2 Abstract Wind energy as a clean renewable, in the case of the current energy shortage, so development of
3、wind energy has become particularly important. The question is how to develop the wind energy, 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
4、 is necessary to research the control system and the process of controlling. In accordance with 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
5、changing the frequency of the rotor excitation current, to change the rotors speed, and catching 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 c
6、onstant frequency. By an external signal acquisition circuit for the rotor current and rotor speed. 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
7、 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 3 目 录 1 引言 . 1 2 变速恒频风力发电系统基本原理 . 2 2.1 风力发电 . 2 2.1.1 风力发电特点与优势 . 2 2.1 2 风力发电机组成结构
8、. 3 2.1.3 风力发电的基础理论 . 4 2 2 变速恒频风力发电原理 . 5 2.2.1 变速恒频技术的应用背景 . 5 2.2.2 风力发电机变速恒频理论 . 5 2.2.3 风力发电最大风能俘获的动力学特性 . 7 3 变速恒频风力发电控制硬件系统设计 . 9 3.1 双 PWM变 换器实现变速恒频发电系统 . 9 3.1.1 PWM变换器的结构 . 9 3.1.2 双 PWM变换器的功能特性 . 10 3.2 基于 C8051F005单片机的触发电路设计 . 10 3.2.1 C8051F005单片机 . 11 3.2.2 同步电路设计 . 13 3.2.3 晶闸管触发电路 设计
9、 . 15 3.2.4 复位电路 . 18 3.2.5 稳压电源模块 . 19 4 变速恒频软件设计 . 20 4.1 C8051F单片机开发环境 . 20 4.2 软件程序 . 20 结论 . 24 参考文献 . 25 附录 1 实验原理图 . 26 - 1 - 1 1 引言 随着全球工业化进程的加快，大量的煤炭、石油、天然气被无限制地开采，能源逐渐耗尽，大量的有害物质被排放于大自然，从而导致了陆地沙漠化、臭氧层破坏、气候变暖、海平面升高，使得人类处于水深火热之中，所以实施可持续发展是未来的主方向，能源与环境的问题永远是 当今世界最热门的课题。风能作为一种无污染、可持续能源，在当今世界变得越
10、来越重要，具有实际的研究意义。 我国是帆船之乡，在明代就有郑和西下，正是对风能的利用，使得人们交通运输变得更加的方便。风车在明代以后开始流行，利用风力提水灌溉，高效率又省事，大大促进了人们的生活水平。但是第一辆真正意义上的风力发电机是有荷兰发明的，当时是水平轴风车，不能随风速变化而调节发电机转速，从而达到风能最大功率的目的。在前人的基础上，随后的风力技术越来越成熟，继而出现了变速恒频风力技术，使得发电机转速能随风速变化而变化，使功率曲线更 加的平滑，输出频率稳定，发电效率更高，而且更好地与外网进行并联。变速恒频风力发电机组主要是控制双 PWM 的晶闸管，从而使转子随风速变化而随之改变，并且使得
11、输出电压频率稳定，以满足风轮机与输出功率稳定的要求。 本论文主要研究变节距风力发电机组的基本控制要求与控制策略，对风力发电变速恒频方面做了一定的研究和分析。通过控制系统以此来满足优化功率曲线和稳定功率输出的要求，使得发电机工作在最大输出功率状态。 本论文主要通过 C8051f005 芯片，建立模拟控制系统模型，对双 PWM 系统进行控制，通过调节 PWM 晶闸管触发脉冲 频率，从而使风力发电机组达到变速恒频的目的。 - 2 - 2 2 变速恒频风力发电系统基本原理 2.1 风力发电 2.1.1 风力发电特点与优势 风力发电是通过风的动能，经过风轮机将风能转化为机械能，风轮机带动发电机发电。风力
12、发电的具体过程是风带动风车叶片转动，再通过增速机将速度提高到发电的要求。照目前的技术水平，大约 3m/s 的风速就可以达到发电要求。风力发电的基本原理非常简单。风带动叶片旋转，叶片带动发电机转动，从而实现发电目的。如图 2-1 所示。 发 电 机叶 片风 向图 2-1 风力发电原理图 （ 1）可再生无污染的能源 风力发电不消耗石油，煤炭，天然气，没有有害物质排放到大自然，这是火力发电所无法比拟的。 （ 2）建设成本低，建设效率高 一个十兆级的风力发电厂，建设费用比火力发电低很多。而且建设完之后，人员投入也相对比较少。建设周期也比较短，不到一年。 （ 3）可靠性高 - 3 - 3 随着现代科技的
13、进步，风力发电技术也越发得成熟，可靠性达到 98%，寿命也大大高于火力发电。 （ 4）运行维护简单方便 现代风力发电厂一般自动化程度比较高，完全可 以在无人值岗情况下正常工作，只需要定期检查维护，而火力发电往往会出大问题，需要比较大的维修。 （ 5）占地面积小 风力发电的设备只需占农田，草原中等很小的区域，而火力发电厂需要占很大的土地面积。 （ 6）单机容量小 由于很多情况下风的密度比较小，所以发电机组容量不可能很大，与火力发电不能媲美，而且风能一直处于不稳定状态，这是风力发电必须解决的。 2.1 2 风力发电机组成结构 大中型的风力发电机组是由叶片、主轴、增速机、发电机、塔架、控制系统等组成
14、的。如图 2-2所示。 风轮机机 舱增 速 机 制 动 器 发 电 机塔架图 2-2 风力发电结构 - 4 - 4 （ 1） 机舱 机舱里包含风力发电机的关键部件，其中包括齿轮箱、发电机等。 （ 2） 风轮机 风轮包括叶片、主轴、 轮毂等。风轮机是风力发电机接受外部风能的部件。 （ 3）增速机 增速机实际上就是齿轮箱，因为风轮机工作在较低转速内，而发电机需要比较高的转速，为了实现两者匹配，即采用了齿轮增速。 （ 4）制动器 制动器就是风力发电机停止转动的装置。 （ 5）发电机 发电机是整个风力发电最关键的部位，是将风 能转化为电能的设备。发电机的性能好坏直接影响发电效率。 （ 6）塔架 塔架就
15、是支撑风力发电机的的支架。 2.1.3 风力发电的基础理论 世界上第一个比较完整的风轮机风能理论是 1919 年由 A贝茨（ Betz）建立的。贝兹理论是应用动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。 贝兹理论的假设条件如下： （ 1） 风轮流动模型可简化成一个单元流管。 （ 2） 风轮没有锥角、偏角和倾角，此时的风轮机即可简化为一个平面桨盘。 （ 3） 风轮机叶片旋转不产生摩擦阻力，不对通过风轮机的气流形成阻力。 （ 4） 风轮机前未 受扰动的气流静压和其后的气流静压相等。风轮前后的气流速度方向均沿着风轮轴线。 （ 5）作用在风轮上的推力成均匀分布。 - 5 - 5 S 1V
16、 1SVS 2V 2图 2-3 贝兹理论计算简图 如图 2-3 所示。 V1 叶片前得风速； V 风经过叶片时的速度； V2 风经过叶片后的速度； S1 叶片前得风速的面积； S 风经过叶片时的面积； S2 风经过叶片后的面积。满足以上条件，理论的风能利用系数（ Betz极限） 31m a xm a x 331181627 0 . 5 9 311 2722AVpV A V A 2 2 变速恒频风力发电原理 2.2.1 变速恒频技术的应用背景 风能是一种随机、不稳定性的能源，风力机在不同风速下都有一个最佳运行转速。传统的恒速恒频发电方式只能固定运行在某一转速才能到达最高的运行效率，但是当风速改变
17、时，风力机就会偏离最佳运行速度，导致运行效率降低，浪费风力资源，增大风力机的磨损。若采用变速恒频发电方式，就可以在风速变化的情况下，实时调节风力机转速，使之始终运行在与该风速对应的最佳转速上，从而大大提高发电机组的发电效率。采用变速恒频技术，还可使发电机组与外网之间实现良好的连接，比传统的恒速恒频发电系统更容易操作及运行。 2.2.2 风力发电机变速恒频理论 如图 2-4 所示为变速恒频发电系统原理图。 风力发电过程中，当风速发生改- 6 - 6 变时，通过控制转子励磁电流的频率，根据电机频率关系式： f1=s*f2（ f1 是定子电流频率； f2 是转子电流频率； s 为转差率），可通过改变
18、转子电流频率 f2来改变转差率 s，其中定子电流频率通过变频器实现输出电流频率恒定，从而当转子电流频率 f2 改变时，转差率 s相应地改变，以达到调速的目的。 D F I G齿 轮 箱转 子 侧变 换 器网 侧变 换 器电 网图 2-4 双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系 统 当风速发生变化时，风叶转速就会变化，发电机转速也随之变化，若想使电机工作在最大风能功率状态，我们必须控制电机转子的转速，而控制转子励磁电流的频率，可以改变电机内部的电磁转矩，从而使转子转速发生变化。但要使转子有效地调整转速，我们必须通过双 PWM 变频器对转子电流频率加以控制，也就是控制转子侧晶闸管导通、关断，从而控制转子电流频率。 两个变换器之间的电容起到稳定母线电压的作用，稳定母线电压是双 PWM正常工作的基本前提。继而对网侧变换器晶闸管给予频率一定的脉冲，使得输入电网的电能频率稳定。从而达到了变速恒频 的目的。 三 相 高 频发 电 机晶 闸 管 开 关 电 路并 联 桥 式 整 流触 发 电 路滤 波 器图 2-5 风力发电变速恒频控制流程图 如图 2-5 所示 ,本文系统采用的是发电机为磁场调制型发电机，磁场调制型
