风力发电机转矩系统控制Word下载.docx

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电气工程及其自动化

班级：

电气2005-2班

指导教师：

张福全高工

摘要

风力发电的主要目标是获取更多的能量，达到发电的最大经济效率。

最大能量的获得意义就是能在变化的风速下保证风机能获取最大的功率。

在追求最大功率的同时，各种损坏风机的因素不能忽略。

通常我们希望风力发电机恒转矩运行或使作用在风轮上的力矩变化越小越好。

但风具有极其不稳定性，风速的突然增加或减小都会在风轮上产生一个突变力矩，这个突变力矩会使风轮振动，损坏叶片，严重时会使叶片断裂。

此外，功率的突变也会导致转矩的突变，对风机造成危害。

因此，转矩控制系统的研究具有十分重要的理论意义和使用价值。

本论文针对转矩对风机的危害，设计了一种转矩控制系统。

首先通过对风力发电机及其理论做了简单的介绍，并对变桨距风力机的空气动力学原理进行了研究和说明，然后在此基础上建立变桨距风力机的数学模型，最后利用PIC控制桨距角，进而达到控制转矩的系统设计。

并经过系统的仿真，验证了其可行性。

关键词：

风力发电机组；

转矩控制；

编码器；

变桨系统

Windturbinesystemcontroltorque

Abstract

Themainobjectiveofwindpowergenerationistoobtainmoreenergy,reachingthemaximumeconomicefficiencyofpowergeneration.Thegreatestaccesstothemeaningofenergyisabletochangefanspeedtoensurethegreatestaccesstopower.Inthepursuitofmaximumpoweratthesametime,variousfactorsthatdamagedfancannotbeignored.

Wehopethatwindturbinesareusuallyconstanttorqueortheroleofrunningroundinthewindtorqueonthechangesassmallaspossible.Butthewindsareextremelyunstable,asuddenincreaseinwindspeedorwindwillreducethewheeltorquetoproduceamutation,thismutationwouldwindroundtorquevibration,damagetoleaves,theleaveswillmakeseriousfracture.Inaddition,thepowerofthemutationcanleadtomutationsinthetorqueonthefananddangerousatworst.Therefore,thetorquecontrolsystemhasaveryimportanttheoreticalsignificanceandvalue.

Inthispaper,thetorqueonthefanforthehazards,thedesignofatorquecontrolsystem.Firstofall,throughthewindturbineanditstheoryhasdoneabriefintroductionofthevariablepitchofwindturbineaerodynamicshavebeenstudiedanddescription,andthenbasedonthevariablepitchwindturbineofthemathematicalmodel,andfinallytheuseofPICcontrolledpitchangle,andtorquecontrolsystemdesign.Andafterthesimulationsystemtoverifyitsfeasibility.

Keywords:

Windturbine；

TorqueControl；

Encoder；

Variablepropellersystem

第一章绪论

能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物资基础。

由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风能作为取之不尽、用之不竭的清洁绿色能源已深受全世界的重视。

风力发电技术也随之得到迅猛发展，兆瓦级变速恒频变桨距风力机组已经成为当今国际社会风力发电机组的主流产品。

我国风力发电起步较晚，但由于国家政府的重视，正大力发展风力发电及其相关的技术研究。

随着风电技术的进步和风电场的开发，我国风电产业开始形成。

目前风电场的全年发电量近8亿度，已形成产值20多亿元，在社会经济生活中产生了一定的影响，不仅对当地能源供应结构和减少环境污染产生了影响，而且对促进地区经济的发展和增加新的就业机会也做出了实际贡献。

一.1风能

能源危机以来，人们的绿色环保意识的加强，世界风电事业迅速发展，装机容量迅速增加，风电产业不断扩大。

中国是耗能大国，而石油、煤炭已不能满足日益增长的能源需求。

在各种能源中，风能是利用起来比较简单的一种，它不同于煤、石油、天然气，需要从地下采掘出来；

也不同于水能，必须建造大坝来推动水轮机运转；

也不像核能那样，需要昂贵的装置和防护设备。

风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。

太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气对流运动形成风。

据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。

全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

我国风能资源储量丰富，据初步估算我国陆上离地面10m高度层的风能资源总储量为32260000MW，可开发量为2530000MW；

近海（水深不超过10m）区域，离海10m高度层的风能储量约为7500000MW。

因此从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

一.1.1风能的特点

矿物燃料在利用过程中排放CO2、SO2、NO、CO等气体，造成了严重的环境污染，导致温室效应，产生酸雨等现象。

目前，各国对环境保护、能源短缺等问题日益关注，均在努力发展风力发电，促进可持续发展，减少有害气体排放。

风力发电既有效地利用了自然资源，又保护了自然环境，还解决了偏远地区人们的用电需求。

一.1.2风能的特点

虽然风能是一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的可再生能源，且蕴藏量巨大，但是，利用风能发电比用水力发电困难得多，这是由于风能具有以下特点：

（1）风能的能量密度小。

为了得到相同的发电容量,风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。

适合进行风力发电的风能密度一般为0.2~0.5kW/m2。

（2）风能的稳定性差。

风能属于过程性能源，具有随机性、间歇性、不稳定性，风速和风向经常变动，它们对风力发电机的工况影响很大。

一般风力发电机的起动风速约3m/s，停机风速约25m/s，即3~25m/s为有效风力区，在有效风力区内，为得到较稳定的输出电能，风力发电机必须加装调速、调向和刹车等调节和控制装置，这对10kW以下小型机组比较简单，对于100kW以上的中大型机组，就增加了许多实际困难。

（3）风能不能储存。

对于单机独立运行的风力发电机组，要保证不间断地供电，必须配备相应的储能装置。

10kW以下小型机组，一般配置蓄电池，或与其他形式的能源如太阳能PV光伏电站、柴油发电机组等构成混合发电系统。

对于大型风力发电机组，虽然可以采用飞轮储能或压缩空气等储能措施，但目前几乎全部考虑与大电网并联运行，以避开储能问题。

（4）风轮的效率较低。

风轮的理论最大效率为59.3％，实际效率会更低一些，统计显示，水平轴风轮机通常在0.2~0.5范围内，垂直轴0.3~0.4。

显然，要提高风轮的出力，只有靠增大风轮的半径，或装在风速较大的地点。

对风电场而言，风力发电机组的年平均利用小时数不能低于2000小时，即单机容量为660kW的风电机组年发电量不能低于1320MWh才具有商业开发价值。

若能达到2500小时，则该风电场具有良好的商业开发价值，超过3000小时的风电场称为优秀风电场。

风电最大缺点是不稳定，大量建设风电会给电网调度带来困难，需要统一的电网进行管理和调度。

风能利用上的困难，使得风力发电系统的技术和管理出现了一些特殊问题。

实际上，风电系统所发出的电能，若不加以控制，并不具备太大的商业使用价值，若直接并入电网，是对电网的一种污染—绝大多数情况下，只对电网的谐波有贡献，直接影响局部电网运行的稳定性。

近年来由于控制技术、电力电子技术及新材料技术的飞速发展和广泛应用，为风能的利用创造了有利条件，风力发电技术也得到了长足进步。

一.2风力发电的发展

一.2.1中国风力发电的发展概况及前景

中国人口众多，能源资源相对匮乏。

中国人口占世界总人口的20％，己探明的煤炭储量占世界储量的11％、石油占2.4％、天然气仅占1.2％，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为十分之一。

中国拥有的石油、天然气剩余可采储量人均都在世界40位之后，且勘探开发成本持续上升；

煤炭的剩余可采储量也不足百年之用。

但中国现在己是世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国，中国能源消费排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的80％。

中国温室气体排放量约占全世界总排放量的13％，仅次于美国之后居世界第二位。

中国按人均和全国面积平均，温室气体排放量很低，但中国随着能源消费量增加而引起的温室气体排放量的增加正引起全球的瞩目。

国际能源组织预计中国二氧化碳排放量有可能在2030年前后超过美国。

中国是世界环发大会《联合国气候变化框架公约》的签字国，有义务根据可持续发展战略，努力减缓温室气体排放的增长率，因此中国政府十分重视和强调发展洁净能源技术。

中国陆地可开发利用的风能在2.5亿kW以上，近年来己建成26处风力发电场，1994年并网风电机组装机30MW，年发电量7500万kWh，到2000年底，并网风电机组装机容量己达到344MW，年发电量约86亿kWh，同时还有13万台小型独立运行的风力发电机在广大牧区、海岛、有风无电的边远地区运行。

风力发电作为我国电力结构中的新型分布式供电系统，以其灵活、实用的方式，为经济发展注入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效益。

近几年来我国风电产业迅猛发展，如图1.1所示。

到2007年底，中国风电装机将达到500万kW，提前3年完成原定2010年的目标，中国政府目前公布的风电发展目标是2020年将达到3000万kW。

图1.12002~2007年全国风电总装机容量

中国的风电资源不仅丰富，而且分布基本均匀。

东南沿海及其岛屿、青藏高原、西北、华北、新疆、内蒙古和东北部分地区都属于风能储藏量比较丰富的地区，而甘肃、山东、苏北、皖北等地区也有相当大比例的风能资源可以有效利用。

我国陆地上从新疆、甘肃、宁夏到内蒙古，是一个大风力带；

同时还有许多大风口，如张家口地区，鄱阳湖湖口地区、云南大理等。

这些为风能的集中开发利用提供了极大