风力发电机控制系统研究本科生毕业设计

本科生毕业设计（论文）开题报告题目：风力发电机控制系统研究学院：信息工程系电气工程及自动化专业：电机电器班级：电气051班学号：7022805017姓名：熊寅指导教师：江智军填表日期：2008年4月4日一、选题的依据及意义1.1选题依据:传统风力发电机组大都采用三桨叶与轮毅刚性连接的结构，即定桨距风轮。桨叶端部1.5—2.5m的部分设计一般设计成可控制的叶尖扰流器，当风力发电机组需要停机时，扰流器可旋转90度形成阻尼板，使风轮转动速度迅速下降，这一机构称为气动刹车。随着风力发电机组设计制造水平的不断提高，在大型的风力发电机组中已经普遍开始采用变桨距风轮。变桨距风轮的桨叶和轮毅不再是刚性连接，而是通过可以转动的推力轴承或者专为变桨结构设计的联轴器来联接。这种风轮的优点在于可以根据风速来调节气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速时，通过调节风轮的受力可以使风机保持在稳定的输出功率上。而且，在大风的情况下可以调节风机处于顺桨状态从而改善整个风机的受力状况。与火电煤电等常规发电方式不同，风力发电机组需要频繁地起停，并且转动惯量很大，转速大都设计在每分钟十几到三十几转之间，机组容量越大，风机的转速越低。所以，传统的风力发电机组的风机与发电机之间通常需要增设增速齿轮箱。而风力发电厂的安装和运行经验都表明，齿轮箱往往是维护工作量最大的一个部件，也是成本最高、寿命最短的部件之一，故此，如何提高齿轮箱的可靠性或者是否可以取消齿轮箱就成为广大风力发电研究者的研究课题之一。变速恒频直驱型风力发电机组在运行时，风机不接增速齿轮箱，直接和发电机祸合;发电机的定子为三相绕组或多相绕组，转子为永磁或电励磁结构;定子发出非工频的电能，电压也随转速变化;系统中有整流逆变装置，发电机发出的电压和频率都在变化的交流电经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网;通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。1.2选题意义：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励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。(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、降低造价的目的。对我们能源节约的问题上有着重要的意义。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）2.1国内研究现状及发展趋势：我国虽然是在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到在90年代国家“乘风计划“的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。在国家有关部委的支持下，额定功率为Zoowk、25OWk、300wk、600姗的风力发电机组已研制成功，ZOOWk~600wk的大型风力发电机组制造技术己基本掌握，并开始研制兆瓦级风力发电机组。我国自主开发的20OWk~300wk级风力发电机组的国产化率已超过9%0;6O0Wk风力发电机组样机的国产化率达到80%左右。此外还开发了一批风光、风柴联合发电系统。浙江省机电设计研究院研制的20Owk风力发电机组，于1997年4月通过了国家级技术成果鉴定，同年12月又完成了中试样机的研制。由上海蓝天公司主持研制的300wk风力发电机组，1998年初在南澳风电场投入并网运行，目前运行情况良好。在6O0wk风力机研制方面，由国家科委立项，新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化项目也迈出了坚实的步伐。到2003年，我国己在11个省区建立了27个风电场，总装机容量达46万wk。其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万kw;南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万kw;内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3万kw;福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500wk、6O0wk、800wk容量不等的风力发电场。其次，浙江、福建、广东沿海及新疆、内蒙古自治区都有较大功率的风力发电场。东部沿海有丰富的风能资源，距离电力负荷中心近，海上风电场必将成为今后我国新兴的能源基地。虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年20%以上的速度递增，但风电仍仅占全国电力总装机的0.11%。相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。国内自制的风力发电机多为异步发电机，不能做到变速恒频发电，不能有效地利用各种风况下的风能。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，其中包括国家的光明工程和863计划——后续能源技术主题等国家重大科技发展项目。我国风力发电指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。我国风力发电划是重点开发6O0kW及以上风力发电机组，实现规模化生产;研究开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机组;提高10kw以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电系统。我国风力发电的主要目标是:2005年并网风力发电装机容量达到120万kw，形成15一20万kw的设备制造能力，以满足国内市场需求;到20巧年新能源和可再生能源年开发量达到4300、万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2%，该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近50万个就业岗位。可见，有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。2.2国外研究现状与发展趋势：首先从装机容量上来看近几年世界风力发电的发展。到2001年，全球总装机容量为25273MW，其中德国装机容量为8OOOWM，名列首位，占世界风电装机容量的30%。美国装机容量达4000WM，名列第二。西班牙为3300WM，名列第三。丹麦装机容量265OWM，英国为65OWM，中国为400WM，排列第八位。到2002年底，世界总装机容量为32037WM，而欧洲占全世界的74.4%，为23832MW。据预测，在2001一2005年的5年间，全世界新增风力发电设备的发电能力约为3900WM，到2010年全世界总装机容量会超过140000WM，预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的10%。其次，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。三、本课题研究内容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。四、本课题研究方案本文首先从传统的风力发电机组开始分析，研究变速恒频直驱风力发电技术与其具有哪些不同以及具有的的优势，然后谈及同步风力发电机组的控制略、运行原理和发电系统的组成。研究方案中还包括控制系统中硬件部分的组成和软件部分的组成，如何通过仿真模型实验来验证这种控制方案的实施。五、研究目标、主要特色及工作进度5.1研究目标。5.2主要特色伴随着风力发电产业的发展和对风能利用水平要求的不断提高，风力发电的控制系统一直处在人们关注的焦点之下，是人们不断研究和改进的对象。同步风力发电机系统以其无齿轮箱、输出有功和无功功率可调节等优势曾经博得过人们的青睐，但因其难以满足恒速恒频的控制要求一度退出风电舞台。现在，电力电子技术的发展使得同步风力发电机的控制变得更加简单，变速恒频技术的进步给同步风力发电机的应用提供了更广阔的空间。变速恒频直驱风力发电技术的优点有:可以实现最大风能获取，对永磁机组而言有较高的效率;有较宽的转速运行范围，可在-30%～+15%的转速范围内运行;没有齿轮箱，可靠性好;控制简单，可灵活地调节有功和无功功率。六、参考文献[29]ChungDW,UnifiedVoltageModulationTechniqueforRealTimeThree-PhasePowerConversion[J].IEEETrans.OnIndustryApplication,1998[30]C.S.Berendsen,G.Champenois,J.Pavoine.CommutationsStrategiesforBrushlessD.C.MotorInfluenceontheInstantTorquc.IEEE,1990[31]NicolaBianchi,SilverioBolognaniandBrianJ.Chalmers.Salient-RotorPMSynchronousMotorsforanExtendedFlux-WeakeningOperationRange.IEEETrans.OnIndustryApplication,2000[32]BrianJ.Chalmers,andLawrenceMusaba.DesignandField-WeakeningPerformanceofaSynchronousReluctanceMotorwithAxially-LaminatedRotor.IEEEIndustrySocietyAnnualMeeting,NewOrleans,Louisiana,1997[33]MMarinescu,NMarinescu.NumericalcomputationoftorqueinpermanentmagnetmotorsbyMaxwellstressesandenergymethod[J].IEEETrans.OnMagnetics,1988[34]TMS320LF/LC240xADSPControllersSystemandPeripheralsReferenceGuide,TexasInstruments,2002