直驱式风力发电系统的应用分析

2006年,第3期

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-收稿日期:2005-12-29

作者简介:金玉洁(1982-),女,浙江永康人,硕士研究生。

直驱式风力发电系统的应用分析

金玉洁,毛承雄,王 丹,曾 杰

(华中科技大学,湖北武汉430074)

摘 要:结合目前市场应用和实验研究情况,综合评述了直驱式风力发电系统。具体介绍了5种直驱式风力发电系统的特点、优劣及应用状况,直驱式风力发电系统中应用的电力电子变换器概况。通过综合比较,指出了直驱式风力发电系统的应用前景。

关键词:直驱;发电机;电力电子变换器;风力发电

中图分类号:TM 614 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2006)03-0029-05

The application analysis of direct drive w i nd po w er syste m

JI N Yu jie ,MAO Cheng x iong ,WAN G D an,et al

(H ua z hong U niversity of Sc i ence and T echno logy,W uhan 430074,China)

Abstrac t :A cco rd i ng to the present m arket appli ca tion and exper i m ent research cond itions ,this pape r m akes co m pre hensive co mm ents on direct drive w ind pow er sy stem .T he cha racte ristics ,advantages ,disadvantages and applica ti on sit uation are spec ifi ed for these w i nd po w er syste m s .T hen ,t he po w er electr ic converters used i n w i nd power syste m are introduced .F i nall y ,it po i n ts out the appli cation prospect of direct drive w i nd pow er sy stem a fter co m pa ri ng to the o t h

e rs synthe tica ll y.

K ey word s :d i rect dr i ve ;generator ;pow er e l ectric converter ;w i nd pow er syste m

0 引 言

风力发电对生态环境造成的破坏程度小,经多年发展,其商品化、产业化程度越来越高,具有广阔的市场前景。近年来,风电发展不断超越其预期的发展速度,并一直保持着世界增长最快的能源的地位。据报道,1998 2004年,全球风电装机容量的年平均增长率达到30.46%[1 2]

。

现代风力发电兴起于20世纪70年代,经多年的发展,风力发电技术已较成熟,目前的总体趋势是风力机功率控制方式由变桨距取代定桨距,机组控制方式由变速恒频取代恒速恒频,并且单机容量不断增大,高效率、高可靠性的风力发电机

组正逐渐兴起[3 4]

。特别是近几年来,无齿轮箱系统的直驱方式越来越引起人们的关注。去掉齿轮箱,可以有效地提高风力发电系统的效率和可靠性。

在这种风力发电技术方案中,发电机运行在低速状态,要能够产生足够大的力矩,并且机组与电力系统并网时要能保持恒压恒频,关键技术在

于发电机、相应的控制系统及并网装置的设计等[5]

。从上世纪末开始,以德国Enercon 公司为首的风电机组制造商,推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电系统。我国在该领域正处于积极研究试验阶段,近年来也涌现出不少成果。可以预计,省去齿轮箱的直驱式风力发电系统将成为未来风力发电技术发展的主要方向。

1 齿轮箱存在的问题

现代风力发电系统是非常复杂的,主要部件有风力机、齿轮箱、发电机、调向机构、制动机构、控制单元、塔架等,其中风力机和发电机是主要的能量转换部件。风力机把风能转换为机械能,发电机把机械能转换为电能。由于风能的特殊性,风力机一般都低速旋转,如大型风力机的转速低至每分钟几十转甚至十几转。发电机属于高速旋转机械,所以两者之间往往通过升速齿轮箱连接,使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出,以便与发电机转速相匹配。

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!-然而,齿轮箱的存在却成为制约风电机组发展的因素之一。一是由于机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转,增加了系统损耗,降低了能量利用率。二是由于风电机组往往安装在偏远山区、孤岛等野外的高空几十米处,经受严寒酷暑,温度变化大,环境条件恶劣,导致升速齿轮箱的工况严峻,维护保养工作量大。三是随着单机容量的不断增大,特别是近年来海上风力发电的兴起,大容量风电机组成为当前市场主导,但容量增大使齿轮箱的造价也更加昂贵,而且在兆瓦级风电

机组中更容易造成过载或过早损坏[6 7]

。

因此从20世纪90年代起,人们开始研究省去齿轮箱,风力机与发电机直接同轴相连的风力发电系统,即直驱式风力发电系统。

2 直驱式风力发电系统

2.1 多极绕线式同步发电机型风力发电系统

在早期的恒速恒频风力发电系统中已有采用普通三相同步发电机,

其并网运行系统结构如图

图1 普通三相同步发电机型风力发电系统

1所示。风力机与发电机之间通过齿轮箱连接,风力机采用定桨距控制,发电机定子侧通过断路

器直接并网,即所谓 刚性连接![8]

。这种系统的同步发电机并网运行条件苛刻,需要调速系统和励磁系统对同步发电机的频率、电压和功率进行有效控制,否则会发生失步现象。

把多极绕线式同步发电机应用于风力发电系统近年来才重新引起人们关注,其系统结构如图2所示。风力发电机组的风力机和发电机两部分同轴连接。为了实现最大风能捕获,风力机功率控制采用变桨距调节方式。发电机定子侧与电网之间通过电力电子变换器实现 柔性连接!,转子侧通过励磁控制器调节发电机的励磁电流以控制发电机定子侧的输出电压幅值,构成全功率变换

的变速恒频风力发电系统[6,7,9]

。

图2 多极绕线式同步发电机型风力发电系统

从图1和图2可以看出,两种同步发电机型风力发电系统的结构相似,但省去齿轮箱的多极绕线式同步发电机型风力发电系统增加了系统的稳定性,能获得更好的电能质量。它通过电力变

换器与电网相连,可灵活控制系统的电压和频率,使发电机的工作频率和电网频率相互独立,所以并网对系统几乎没有影响,也不会发生失步问题。另外,这种系统风力机采用变桨距控制,可使机组按最佳效率运行,增加发电量。相对于其他发电机类型,同步发电机在运行时既能输出有功功率又能提供无功功率,制造工艺也比较成熟,价格相对便宜。根据绕线式同步发电机现有的技术水平,这种结构可适用于大容量风力发电系统。德国的Enercon 公司和larg w ey 公司是典型应用这种结构的风力机制造商,如Enercon 公司2002年设计的 E112!型风力发电机组已达4.5~6.0MW 。美中不足的是,与普通同步电机一样,多极绕线式同步发电机也需要励磁控制器,含有电刷和滑环,增加了系统的复杂度和维修量。另外,该系统的电力变换器串联在定子端,意味着变换器与发电机需要相同的容量,使其造价增高,损耗增大。2.2 多极永磁同步发电机型风力发电系统

在独立运行的10k W 以下微型和小型直流风力发电系统中,交流永磁发电机已早有应用,其常用的永磁材料有铁氧体和钕铁硼两种。其结构如图3所示,风力机与发电机直接相连,发电机经整流器后输出直流电

[10]

。

图3 交流永磁发电机型直流发电系统

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?-近年来,随着采用多极同步发电机的直驱式风力发电系统越来越引起重视,人们也认识到,极数的增加导致直驱式风力发电中电机转子外圆及定子内径的尺寸大大增加。为了简化电机结构,减少发电机的体积和质量,同时为了机组易于维护,提高机组功率密度,很多研究集中在能实现大功率发电(MW 级以上)的多极永磁发电机上。

图4 多极永磁发电机型风力发电系统

多极永磁发电机型风力发电系统结构如图4所示。风力机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实现最有效运行。永磁发电机

的定子与普通交流电机相同,转子为永磁式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组损耗,提高了效率。转子上没有滑环,运行更安全可靠。但是它的不足之处是,它因使用磁性材料如钕铁硼和钐钴等而成本很高,而且电机的电压调节性能差。此外,这种系统的变速恒频控制也在定子电路实现,电力电子变换器的容量要求与发电机额定容量相同,增加了系统损耗。

然而,国内外许多专家认为,永磁发电机型风力发电系统是未来风力发电技术的主要发展方向,对大型直驱式设计来说尤其是这样。从理论上讲,系统的电能输出是按它获得的空气体积的三次方增加的,也就是说,随着风力发电机组单机容量不断增大,系统各结构部件的重量也会成比例地增加,因此发展结构简单的永磁发电机具有一定的优势

[11 13]

。特别是随着永磁材料技术、现

代电力电子技术、控制技术等的发展,永磁发电机型直驱式风力发电系统的市场前景逐渐显现。

Enercon 公司、Zephyros 公司、ABB 公司等欧洲国家企业,都致力于开发采用这种结构的风力发电系统。新疆金风科技股份有限公司与德国企业合作,于2005年4月开发出了1.2MW 变速恒频直接驱动永磁同步发电机型风电机组,并成功并网发电,填补了国产大型永磁直驱风力发电机组的空白,使我国风电技术保持与国际先进水平同步。

2.3 高压永磁发电机型风力发电系统

ABB 公司于1998年研制出一种新型风力发电系统(Po w erfor m er)。该系统采用高压永磁发电机(W indfor m er)直接与风力机相连,变桨距控制,采用高压直流(HVDC )输电的连接方式实现系统并网,输出功率可以达到3MW,输出电压不低于20kV 。这种风力发电系统的结构如图5所示[8,14]。

图5 高压永磁发电机型风力发电系统

发电机的转子用新型永磁材料钕铁硼和钐钴制成,且为多极,结构与上述多极永磁发电机型风力发电系统相似。主要不同之处是,该系统采用的高压永磁发电机的定子是用一种圆形交联聚乙烯电缆(XLPE )绕制的电缆电枢绕组,电缆具有坚固的固体绝缘,工作电场强度可高达15kV /mm (有效值)。该系统中每台电机发出高压电,输出端可以经过整流装置直接接到直流母线上,再经过逆变器转换为交流电输送到当地电网;若要输送到远方电网,则通过升压变压器接入高压输电线路。

Pow erfor m er 的优点是不需要齿轮箱,电机转子上也没有励磁装置和滑环,结构简单,减少了系统损耗,可靠性更高。另外,传统的发电侧输出电压一般维持在20kV 以下,要实现发电侧与输电网的顺利对接,需借助升压变压器。而Po w er f o r m er 整合了发电机和升压变压器,使机组元件大大减少,系统的有功损耗和无功损耗都大大降低。其发电机侧输出的电压在20k V 以上,直接通过HVDC 输电方式把电输送到负荷端,分散式的不可控整流提高了机组效率和运行可靠性。但不足的是,这种系统采用的高压发电机的转子需要大量永磁材料,且对材料性能的稳定性要求较高,同时发电机对整个系统的其他方面要求也较高,这些都使机组成本增加。

目前,Po w erfor m er 还属于试验阶段,整个系统长期运行的性能如何还有待进一步深入研究。

但国际电力工程领域的多位专家都曾表示,Po w erfo r m er代表了21世纪电力新技术发展的一个重要方向,具有广阔的应用前景。国内在该领域的研究工作也在积极开展。

2.4 开关磁阻发电机型风力发电系统

这种风力发电系统采用开关磁阻发电机为机电能量转换核心,一般应用于输出功率小于30 k W的小型风力发电系统.其系统结构如图6所示[15]。

图6 开关磁阻发电机型风力发电系统

开关磁阻发电机为双凸极电机,靠磁阻转矩运行,定子和转子均为凸极齿槽结构,定子上设有集中绕组,转子上既没有独立的励磁绕组也没有永磁体,而由硅钢片叠压而成,故机械结构简单、坚固。通过控制器分时地控制实现励磁与发电,可靠性高,而且其起动转矩大,低速性能好,设计成多对极可以直接与风力机相连,构成无齿轮箱直驱式风力发电系统。如果开关磁阻发电机与风力机配合良好,通过对发电系统的控制,可使风力机工作在最佳功率负载线上。另外,这种发电机耐高温特性好,可以弥补风力发电机长期在机舱中封闭工作而散热难的缺点。这种系统的变换器直接与发电机定子相连,所需容量也要求与发电机的额定容量相同。

开关磁阻电机的功率密度不高,所以这种结构的风力发电系统性能要比永磁发电机型风力发电系统差些,而且它对电力电子变换装置的性能要求较高,系统控制较为复杂,目前这种系统仍处于试验运行阶段。

2.5 横向磁通发电机型风力发电系统

目前大量使用的风力机都是水平轴型,它把发电机装在塔架顶端的机舱内,对发电机的体积和重量也有一定要求。传统永磁电机虽然质量相对轻些,但存在定子齿槽在同一截面、几何尺寸相互制约的缺陷。另外,应用于风力发电系统的发电机要求具有较高的转矩密度,因而近年来把横向磁通发电机应用于风力发电系统开始引起人们关注,其系统结构与图6相同。

横向磁通发电机的定子齿槽和电枢线圈在空间上互相垂直,磁路方向沿转子轴向方向,定子尺寸和线圈尺寸相互独立,它实现了电路与磁路的解耦,即可以同时实现高电负荷和高磁负荷。而且,横向磁通发电机的磁路是三维的,根据转子永磁体磁极的放置方法可分为多种类型[16]。简言之,横向磁通发电机属于同步电机的范畴,它的运行机制又有永磁电机的特点,如果把它设计成多极对数的电机,就可以应用于直驱式风力发电系统。

但在现阶段,对横向磁通发电机的研究还不够充分。现有的拓扑结构中,工艺比较复杂,控制比较困难,成本较高,功率因数也不是很高。因此,横向磁通发电机型直驱式风力发电系统的设计和应用还有待进一步研究。

3 电力电子变换器

直驱式风力发电系统的风力机与发电机直接相连,所以发电机端输出的电压、频率随风速而变化。要实现风电机组并网,需保证机组电压的幅值、频率、相位、相序和电网保持一致。除高压永磁发电机型风力发电系统采用由整流器、直流母线、逆变器构成HVDC输电方式外,其他直驱式风力发电系统都需要串联一个全功率变换的电力电子变换器,使系统经变换器后能保证恒压恒频输出。

目前,由整流器和逆变器组成的电力电子变换器的结构形式有很多。应用于风力发电系统且较为成熟的技术主要是由两个P WM电压源型变换器构成的背靠背式变换器。近年来,随着电力电子技术的发展,电流源型变换器和矩阵式变换器在风力发电系统中的应用研究也逐渐兴起。如一种称为Tande m Converter的新型变换器,把电流源变换器(CS I)与P WM电压源型变换器(VS I)联合使用,CSI串联在输电回路中,低开关频率工作,实现风力发电系统的能量传递;VSI与CS I并联,低开关电流运行,实现有源滤波和无功补偿,这种设计可大大减少变换器的开关损耗[17]。此外,多电平技术、谐振技术也应用于风力发电系统的变换器中,以改善系统的电流电压输出波形,提高开关效率,不过这些技术目前尚不够成熟。

总之,直驱式风力发电系统通过发电机定子

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?-侧串联电力电子变换器实现系统并网,以防止风电功率波动对主电网的电能质量造成不良影响。虽然变换器需要全部功率的容量,使系统损耗增加,但省去了齿轮箱,增加了系统可靠性,综合效益反而提高。

4 结 语

从以上分析可以看出,各种发电机型的风力发电系统各有特点,各具优劣。多极绕线式同步发电机型与多极永磁同步发电机型适于兆瓦级以

上风力系统,前者可以实现有功无功灵活调节,但系统相对后者复杂;后者的发电机结构简单,维护量相对较少,功率密度高,但电压调节性能差。高压永磁同步发电机型也适于大容量风力发电系统,其整体结构虽并不复杂,但机组造价较高,系统运行可靠性和经济性也待实践检验。开关磁阻发电机型与横向磁通发电机型适于30k W 以下的风力发电系统,前者结构简单、可靠性高,但功率密度不高;后者具有高功率密度,电机类型和尺寸可根据需要设计,但目前研究不够完善,设计制造较难。虽然直驱式风力发电系统一般都需要全功率变换的电力电子变换装置,导致系统的成本提高,然而这种系统因免去齿轮箱这一传统部件,具有减低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、低风速时高效率等多种优点,越来越得到人们的推崇。随着国内外风力发电技术行业的蓬勃发展,直驱式风力发电系统已是当今风力发电的研究热点,必将成为风力发电的一大主流,为人们合理有效利用风能提供保证。参考文献:

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2015年度本科生毕业论文（设计） 家用小型风力发电系统的初步设计 院－系：工学院 专业：电气工程与其自动化 年级：2011级 学生姓名： 学号： 导师与职称： 2015年6月

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双馈风力发电模拟实验机组 双馈风电机组（又称：双馈风力发电机模拟试验台），是风力发电行业广泛应用的模拟实验机组，该机组具有模拟变速恒频风力机组并网发电的功能及特性，是风电行业科学研究、教学实验的理想产品。 双馈风电机组分为拖动单元、控制单元、发电单元、测量单元。 本机组使用原动电机为拖动单元，电动机通过联轴器拖动双馈发电机。用户可根据设计的实验目的由控制单元调节电动机转速，达到宽范围模拟大自然风速变化引起的发电机发电状况之变化。用户通过开放式测量单元，可以根据自己的实验需求给定发电机转矩，通过控制双馈发电机的功率输出，达到变速恒频风力机组的并网发电等过程各参数的实验研究。通过机组故障模拟，达到对机组常见故障的认识和处理方法。 拖动单元的原动机选用异步电动机（也可选用永磁同步电动机、交流同步电动机、直流电动机）：模拟机组因风速变化而引起的转速变化。 发电单元选用双馈发电机（也可选用永磁同步发电机、直流发电机、交流异步发电机，交流同步发电机）：双馈发电机变速恒频发电。 控制单元选用变频器控制拖动电机转速，用以模拟风速的变化，同时可以方便的通过计算机控制变频器实现电机的转速调节模拟风机出力。 测量单元选用光电编码器采集发电机的转子位置和实时转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上（两台电机联轴间也可安装扭矩传感器，用于测量轴功率和转速）；选用电压、电流、频率等测量传感元件及检测显示表面板、按键，开关模块等，对电量信号进行采集、分析、处理。 机组实现变速恒频风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。拖动单元：模拟机组因风速变化而引起的转速变化。 机组模拟实验内容 1、风力发电机接线形式实验 2、空载运转实验 3、风速模拟实验 4、转距模拟实验

风力发电系统有哪些设备组成

二、风力发电系统有哪些设备组成 2.1 基本原理和部件组成如下： 大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。 大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。 2.2 风电机结构 机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。 液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。 塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向。 蓄电池：是发电系统中的一个非常重要的部件,多采用汽车用铅酸电瓶，近年来国内有些厂家也开发出了适用于风能太阳能应用的专用铅酸蓄电池。也有选用镉镍碱性蓄电池的，但价格较贵。 控制器和逆变器：风力机控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电，以保证蓄电池不至于过充和过放，以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。目前风力机控制器一般都附带一个耗能负载，它的作用是在蓄电池瓶已充满,外部负荷很小时来吸纳风力机发出的电能。 逆变器：逆变器是把直流电(12V、24V、36V、48V)变成220V交流电的装置，因为目前市场上很多用电器是220V供电的，因此这一装置在很多应用场合是必须的。 2.3 风电机发电机 风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的，电网上的发电设备相比，有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。 2.3.1 输出电压

风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基 础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及 完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力 /m 的最方便最有价值的量；

风力发电机控制原理

风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，

小型家用风力发电系统的设计

毕业设计（论文） 题目小型家用风力发电系统 的设计 姓名 学号 所在学院 专业班级 指导教师 日期年月日

原创性明 本人郑重声明：所呈交的学位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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□，在年解密后适用本授权书。 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日

摘要 随着环境问题和化石能源危机日益加剧，各国都在寻找新的可代替能源来解决能源危机和环境污染。风能和太阳能一样也是取之不尽的一种可再生能源，风力发电成为现在人们利用风能的一种主要形式，小型风力发电构成的家用分布式发电系统在未来更具有利用前景。因此对小型家用风力发电系统的研究有很多实用性和价值。 本文设计的家用风力发电系统选用单片机STC89C52为控制核心设计了系统电路，实现由蓄电池电能逆变为小型家用电器实用的24V50Hz的交流电。对风力发电原理及逆变的必要性做了重点介绍，分析了设计的电路各个模块工作原理，给出了系统的原理图和软件设计流程图。设计的家用发电系统经济成低、实用性强。 关键词：风力发电，单片机，蓄电池，逆变

750kw风力发电机叶片建模与仿真分析解析

毕业论文题目：750KW风力机叶片建模与模态仿真分析 学院： 专业：机械设计制造及其自动化 班级：学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2014年6月20日

诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日

毕业设计（论文）任务书 题目： 750KW风力机叶片建模与模态仿真分析 姓名学院专业班级学号 指导老师职称教研室主任 一、基本任务及要求： 1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。 2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。 3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。 4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。 5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。 6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。 二、进度安排及完成时间： 2014.2.20－3.5：课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。2014.3.6－3.28：撰写文献综述和开题报告。 2014.3.29－4.8：确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。 2014.4.9－4.19：应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。 2014.4.20－4.27：应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。 2014.4.28－5.5：改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。2014.5.6－5.26：撰写毕业论文、完成设计。 2014.5.27－6.10：整理毕业设计资料，毕业答辩。

风力发电模拟监控实验

风力机空气动力学实验之一风力发电模拟监控实验 STR-WIND5000 风力发电机变桨距系统 实训指导书 南京工业大学 机械与动力工程学院 2014年11月

实训二发电机的功率与转速的关系实训 1、实训目的 了解永磁同步发电机的功率-转速特性 2、实训设备 风力发电实训装置 3、实训原理 在某一来流风速下，风力发电会在特定转速稳定运行，如下图中，曲线1为该时刻发电机外特性u=f(i),直线1为负载特性，两者的交点即为工作点系统的工作点，在此工作点对应有系统的输出电压u和电流i，二者乘积为系统的输出功率，当负载发生改变时，新的负载特性曲线2与发电机的输出特性曲线1的交点也发生了改变，系统的输出功率也随之改变。当来流风速变化时，风力发电机稳定在另一转速下运行，对应外特性u=f(i)曲线2，负载曲线与其相交点也发生了改变，风力发电机的功率输出也随之改变。 曲线1 发电机电压电流输出特性曲线2 发电机功率跟随转速变化的曲线 图2-1 由此可知来流风速的变化和负载的变化可以改变风力发电机的公路输出。来流风速是风的自然属性，不可人为改变，在风力发电机运行过程中，如果风力发电机所接触的负载不变，发电机的输出功率也不变。当风速发生变化时，风轮的输出功率也会发生改变，而负载功率不变，此时会出现发电机与风轮不匹配的现象，风力发电机的运行效率不高。解决方法之一是可以人为改变发电机负载，使发电机的输出功率发生改变，使风轮和发电机的工作达到匹配状态，即风轮的最佳工作状态。 发电机负载功率特性曲线的计算比较困难，通常通过实验的方法测得，在设计好风轮后，由发电机厂家提供相关永磁电机的功率特性曲线，将给定的特性曲线来计算获得的不同来流风速下风轮功率进行匹配，选择和风轮相匹配的发电机。在离网型风力发电机系统中，负载主要为蓄电池，因此在测试发电机的功率-转速特性时通常以蓄电池为负载进行测试。 4、实训步骤 1）将设备上电，打开变桨控制里面的空开，打开蓄电池空开。 2）打开总电源按钮，开启总电源。 3）按下原动机按钮，将原动机投入进去。 4）在监控中心，点击变频器模块，点击变频器下面的频率，点击开启，然频率从6HZ 开始，到20HZ结束，由小到大，每隔2HZ 一个点，观察风能控制柜上监控的风力发动机输

风力发电系统建模与仿真

《新能源发电及并网技术》专题报告风力发电系统建模与仿真 学院电气工程学院 专业电气工程 姓名xxxxxxx 学号xxxxxxxxxxxx 2013年6月

目录 1 风资源及风力发电的基本原理 (1) 1.1 风资源概述 (1) 1.2 风力发电的基本原理 (2) 1.3 风力发电特点 (3) 2 风能及风力机系统模型的建立 (3) 2.1风频模型 (3) 2.2 风速模型 (4) 2.3 风力机建模与分析 (5) 3 变桨距风力发电机组控制系统模型 (10) 3.1 变桨距风力发电机组的运行状态 (10) 3.2 变桨距控制系统 (11) 4风力发电控制系统的模拟仿真分析 (13) 4.1 无穷大系统模型的建立 (13) 4.2 风力发电机系统并网模拟仿真分析 (13) 5 结论 (17) 参考文献 (18)

摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础，运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型，然后分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，最后搭建了一套基于PSCAD/EMTDC 仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。 风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入功率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。 1、风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。

风力发电机模拟试验机组

风力发电机模拟试验机组 实验室风力发电模拟试验机组采用调速电机拖动单元，宽范围模拟风力发电机运行转速，用户可根据需要调节拖动单元转速来达到模拟风速变化引起的发电机转速变化。通过开放式主控系统，用户可以根据自己的实验需求给定发电机转矩，通过控制双馈发电机的功率输出，达到变速恒频风力机组的发电等过程各参数的实验研究；通过机组故障模拟，达到对机组常见故障的认识和处理方法。 双馈式风力发电模拟试验机组主要组成部件：调速电机---扭矩仪---双馈发电机 双馈式风力发电模拟试验机组分为拖动单元、控制单元、发电单元、测量单元。 拖动单元：模拟机组因风速变化而引起的转速变化。 控制单元：分析机组状态，控制机组运行，实现数据模拟。 发电单元：绕线转子双馈异步发电机变速恒频发电，与大型风电机组绕组结构模式相似。 测量单元：机组各信号采集传输到主控系统中。 拖动单元的原动机选用异步电动机（也可选用永磁同步电动机、交流同步电动机、直流电动机） 发电单元选用双馈发电机（也可选用永磁同步发电机、直流发电机、交流异步发电机，交流同步发电机） 控制单元选用变频器控制拖动电机转速，用以模拟风速的变化，同时可以方便的通过计算机控制变频器实现电机的转速调节模拟风机出力。 测量单元选用光电编码器采集发电机的转子位置和实时转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上（两台电机联轴间也可安装扭矩传感器，用于测量轴功率和转速）；选用电压、电流、频率等测量传感元件及检测显示表面板、按键，开关模块等，对电量信号进行采集、分析、处理。 机组实现变速恒频风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。

机组模拟实验内容 1、风力发电机接线形式实验 2、空载运转实验 3、风速模拟实验 4、转距模拟实验 5、发电功率模拟实验 6、其它相关发电性能及测量实验 7、控制策略模拟实验等 8、发电机故障模拟实验 1）定子匝间短路故障 2）定子对地短路故障 3）转子匝间短路故障 4）转子对地短路故障 5）轴承机械故障

风机控制系统结构原理分解

风机控制系统结构

一、风力发电机组控制系统的概述 风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标： 1. 控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。 2. 控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。 3. 利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。 4. 大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。对于恒速恒频的风机，当风速在4-7 m/s之间，切入小发电机组（小于300KW）并网运行，当风速在7-30 m/s之间，切人大发电机组（大于500KW）并网运行。 主要完成下列自动控制功能： 1）大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速、脱网、抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并入电网运行。 2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10min内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。 3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。 4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风,跟风精度范围 ±15°。 5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。 6）风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。 7）在大风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外，

风力发电控制系统

贝加莱风力发电控制系统 2009-05-18 09:24 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC 产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统（OS）上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。 2.1.2功能块调用 PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库

风力发电系统的基本原理(DOC)

风力发电系统的基本原理 一、风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始 发电。风力发电的原理说起来非 常简单，最简单的风力发电机可 由叶片和发电机两部分构成如 图1-1所示。空气流动的动能作 用在叶轮上，将动能转换成机械 能，从而推动片叶旋转，如果将 叶轮的转轴与发电机的转轴相 连就会带动发电机发出电来。 二、风力发电的特点 （1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。 （2）建设周期短 一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。 （3）装机规模灵活

可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 （4）可靠性高 把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。 （5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 （6）运行维护简单 现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 （7）实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 （8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决

基于-matlab的风力发电机组的建模和仿真

实验一 ：风力发电机组的建模与仿真 ： 学号： 一、实验目标: 1.能够对风力发电机组的系统结构有深入的了解。 2.能熟练的利用MATLAB 软件进行模块的搭建以及仿真。 3.对仿真结果进行研究并找出最优控制策略。 二、实验类容： 对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了仿真。 三、实验原理： 风力发电系统的模型主要包括风速模型、传动系统模型、发电机模型和变桨距模型，下文将从以上几方面进行研究。 1、风速的设计 自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。本文不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成：基本风速b V 、阵风风速 g V 、渐变风速 r V 和噪声风速 n V 。 即模拟风速的模型为： V=b V +g V +r V +n V （1-1) （1）. 基本风b V =8m/s 基本风仿真模块 （2）阵风风速 ? ?? ??=0 cos v g V g g g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111 (1-2) 式中： ??? ?????--=)(2cos 121max cos g g g T t T t G v π (1-3) t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 为阵风的最大值，单位 m/s 。

附录2：《风力发电实验室建设方案》-中国建设招标网

风力发电实验室建设方案 １、建设项目必须符合的总要求 风力发电实验室是要求建设一个符合风力发电专业和实际风电专业教学要求的风力发电系统，包括具有无级可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统(与并网型双馈风力发电机组配套实验)和三组无级可变风速及6０度连续可变风向的模拟风力源系统（与小型风力发电机组配套实验）。由一套采用主动偏航齿轮驱动形式的、模拟大型变桨距变速恒频风力异步双馈发电机组、双PＷM变流器、电气测控柜和中控台构成的风力发电教学实训系统，以及由三套小型风力发电机和配套仪器仪表所组成的一个符合大、小型风电机组实验技术要求的综合风力发电实验室，以满足学生教学实训要求。同时需要系统地考虑教学实训项目的要求并具一定的特色。所以本建设项目具体实施的投标单位，不仅要吸收目前并网型风力发电设备的新技术，还应紧密结合教学的实际,必须全面满足完成实训项目的要求,模拟风场与变桨距异步双馈发电机组必须符合教学要求的实际原形的物理模拟标准。要能够观察到各种工况的物理过程，获得明确的物理概念,可以探索到现象的本质极其变化的基本规律，在教学实训中可使风力发电实验室的作用和功能得到进一步的拓展，能够进行典型系统的实训,应符合实训教学的可测试性和可操作性。 2、对模拟风场系统结构的基本要求 以风能为动力的发电设备，称为风力发电机组。在实际风电工程中，安装在风电场中的风力发电机组的原动力风能是自然风,风的速度和方向是不断变化的,而功率与风速的立方成正比。因此在实验室的室外模拟风场中必须设计建设一个连续可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统。 在室外模拟风场中安装的风力发电机组要求是采用30０W小型风力发电组，整个风场用金属网隔离。 在室内安装的并网型风力发电机组要求设计制造成采用主动偏航齿轮驱动形式的、由变桨距风轮机、齿轮箱和异步双馈发电机组等构成风电主机，风速和风向信号取自于室外模拟风场的模拟风力源系统，变桨距调节信号取自于发电机功率。 并网型风力发电机组的原动力采用直流调速电机，直流调速电机的转速与室外模拟风场中测得的风速成正比。 并网型风力发电机组产生的电能,通过电缆经模拟箱式变电站将其电压由0.６9KV模拟升至10KV后，是经架空线路或电缆模拟输送到风电场的变电所。 3、对并网型风力发电机组的基本要求 并网型风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能,再将机械能转换为电能，输送到电网中。要求并网型风力发电机组的在设定的模拟风况和电网条件下能够长期安全运行。 3.１、并网型风力发电机组系统 分为风轮、齿轮箱、发电机、塔筒和基础等几个部分。 经过调研和综合分析,为了符合风力发电专业和实际并网型风电工程的教学要求，本并网型风力发电机组设计制造要求是:采用三叶片(叶片长度根据实验室场地允许条件取）围绕叶片纵向轴线转动的变桨距风轮机，具有主动偏航齿轮驱动功能,采用双馈异步发电机。 底盘上安装除了控制器以外的机组主要部件。 塔架支撑底盘达到1M的高度,筒内安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，塔架结构采用筒形。 基础根据实验室的地质情况和塔架筒形结构形式设计。其中心预置与塔架连接的基础部件,保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。

小型风力发电机控制器设计

电子设计竞赛教程 考试(设计报告) 题目：小型风力发电机控制器设计

摘要 现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。本设计的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。 本设计以单片机8051的加强版STC12C5A60S2为核心控制整个电路，具体由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成，功能上能保证系统安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行。减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波。合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能。保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电。 综上所述，本设计将具有可靠性更高、价格更廉等优势，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。 关键词：发电机整流锂电池环保

目录 一绪论 0 二小型风力发电系统原理 (1) 2.1 风力发电系统组成 (1) 2.2 风电系统的运行特点 (1) 2.3 电能变换单元和控制单元 (3) 2.3.1 整流器 (3) 2.3.2 DC/DC 变换器 (4) 2.4 锂电池 (4) 2.4.1 锂电池的介绍 (4) 2.4.2 锂电池的种类 (5) 2.4.3 锂电池的充电方法 (5) 三小型风力发电机控制器的设计 (6) 3.1 电机的选择 (6) 3.1.1 手摇发电机 (6) 3.1.2 电机特性曲线 (8) 3.2 单片机（单片机STC12C5A60S2） (10) 3.2.1 产品介绍 (10) 3.2.2 单片机STC12C5A60S2的特点 (10) 四流程图和电路图 (13) 4.1流程图和控制原理图 (13) 4.2 显示屏 (17) 4.3 锂电池选择 (19) 4.4 检测电路 (20) 4.4.1 电压检测 (20) 4.4.2 电流检测 (21) 五调试 (21)

基于MATLAB的风力发电系统仿真研究

基于MATLAB的风力发电系统仿真研究 摘要：本文介绍了风力发电机组的结构组成及原理，并建立了风力发电系统风速的数学模型、传动系统模型、发电机的数学模型, 并用MATLAB软件对风速模型进行了仿真, 结果证明了这些模型的正确性和有效性,说明了风力发电系统的仿真在对风力发电系统分析中的重要作用。 关键词：风力发电;MATLAB仿真; 动态模型; 风力发电机组 绪论 近几年来，风力发电机组单机容量和风电场建设规模都日益扩大，成为电网电源中的重要组成部分。风力的随机性和间歇性以及机组运行时的对无功的需求都会影响电力系统稳定运行。所以，在风电场建设前，需要论证分析风电场接入电网的可行性和确定允许接入的容量水平。作为分析的基础，需要建立正确的风电机组和风电场的数学模型。另外，针对新型风力发电机组，也需要根据其特性建立适当的数学模型，并应用于电力系统中，分析它的运行结果。因此，关于风力发电的课题研究是非常有必要的，对我国的能源结构调整将起到重要的推动作用。 1风力发电机结构组成原理 风力发电机组通常亦被称为风能转换系统。典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转换装置—风轮机（叶片、轮毂及其控制器）、起连接作用的传动机构—传动轴、齿轮箱、能量转换装置—发电机及其它风机运行控制系统—偏航系统和制动系统等。风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现由机械能向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。其能量转换过程是：风能→机械能→电能。 2 风力发电系统对并网运行的影响 2.1 风力发电机并网过程对电网的冲击影响 异步电机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随一个过渡过程。异步发电机并网时的冲击电流的大小，与并网时网络电压的大小、发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。目前可以通过加装软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流，但同时给电网带来一定的谐波污染。 2.2 对电能质量的影响 风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网