小型风力发电系统的研究和设计刘宇解读.docx
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小型风力发电系统的研究和设计刘宇解读
小型风力发电系统的研究和设计
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2014年11月11号
摘要
本文主要研究的是20KW主动偏航变桨的风力发电机,釆用工控机为主控制器,对控制系统
分模块进行控制。
核心控制包括三大部分,偏航控制,变桨控制,以及功率控制。
偏航控制和变桨
控制实现风力发电机的最大风能捕捉,功率控制用变流器来完成,实现额定功率前的最大功率追
踪,以及将主发电机发出电能变换成和电网匹配的电能。
本文首先阐述了风力发电的意义以及国内外风力发电的现状,然后分析了风力发电的原理
以及对小型风力发电机做了简介。
然后就小型风力发电机三大核心控制,包括偏航控制,变桨控制
和功率控制,分别做了重点分析研究。
其中,偏航控制采用风向标控制方式。
变桨控制采用变桨距
控制方式。
功率控制采用双/>—变流器,网侧变流器采用电压定向控制策略,稳定了机侧和网侧中
间直流母线的电压,控制了输送到电网上电能的功率因素。
机侧变流器采用矢量控制策略,实现了
最大转矩控制,保证了额定功率前的最大功率追踪。
接下来,本文还介绍了利用实验测试平台对整
机做风力发电的调试,并且给出和分析了实验数据,描述了调试过程中遇到的问题和解决措施。
本文还介绍了风力发电机的现场调试,记录和分析了数据,描述了调试过程中遇到的问题和解决
措施。
通过调试发现,风力发电机的偏航控制系统和变桨控制系统能稳定快速地运行,功率控制能
有效地保证高质量的电能输出。
最后,本文还指出了一些需要改进的地方,对小型风力发电机做了
一些展望。
由于风力发电有着巨大的经济意义。
作者希望通过小型风力发电系统的研究和设计,
来完善小型风力发电事业,为小型风力发电事业的发展做出一份贡献。
关键词:
风力发电;工控机;偏航控制;变桨控制;功率控制
目录
1.1风力发电研究的背景和意义6
1.2国内外现状7
1.3小型风力发电机简介7
1.3.1小型风力发电机的分类7
1.3.2风力发电机组的运行方式8
1.3.3风力主发电机的控制技术9
1.3.4流行的小型风力发电机类型10
1.3.5电力电子技术11
1.4课题的来源12
1.5论文的研究思路13
1.6论文的主要内容13
1.7本章小结13
2风力发电机理论分析以及总方案设计14
2.1理论分析14
2.1.1风能利用系数14
2.1.2贝茨理论15
2.1.3叶尖速比16
2.1.4MPPT控制16
2.2小型风力发电机总方案设计17
2.2.1小型风力发电机整体构成17
2.2.2控制系统的选择18
2.2.3风机核心控制策略19
2.3本章小结19
3最大风能捕捉19
3.1偏航控制20
3.1.1偏航控制简介20
3.1.2偏航控制分类20
3.1.3偏航控制方案21
3.1.4偏航控制系统整体设22
3.1.5偏航控制系统硬件22
3.1.6偏航控制系统软件设计23
3.2变桨控制23
3.2.1变桨控制简介24
3.2.2变桨控制分类24
3.2.3变桨控制方案25
3.2.4变桨控制系统整体设计27
3.2.5变桨控制系统硬件28
3.2.6变桨控制系统软件设计29
3.3本章小结30
4功率控制31
4.1变流器简介31
4.2变流器拓扑结构31
4.2.1不控整流型变流器31
4.2.2可控整流型变流器32
4.3网侧变流器控制33
4.3.1网侧变流器控制策略33
4.3.2网侧变流器建模34
4.3.3电压定向控制实现36
4.4机侧变流器控制42
4.4.1机侧变流器控制策略42
4.4.2发电机建模43
4.4.3矢量控制实现44
4.5功率控制方案46
4.6功率控制的软件设计47
4.7本章小结49
5平台调试以及现场调试50
5.1平台调试50
5.1.1平台调试简介50
5.1.2平台调试心得52
5.2现场调试53
5.2.1现场调试简介53
5.2.2现场调试心得55
5.3本章小结56
6结论与展望57
参考文献59
1绪论
1.1风力发电研究的背景和意义
风能和水能,太阳能一样,都是洁净的可再生能源。
风能与自然界中的石油和煤等矿物燃料不同,矿物燃料随着被使用,其总量会逐渐减少,最终必然会耗尽。
而风能却是一种取之不尽,用之不竭的能源。
并且,矿物燃料在使用过程中,会向空气中排放出二氧化碳,二氧化硫等等不利于环境的气体。
因此,风能是一种可持续发展的能源。
风力发电就是利用风能来发电,风力发电机就是把风能转换为电能的机械。
随着世界各国对能源短缺、环境保护以及节能减排等问题的日益关注,各国普遍认为发展风力发电是解决问题的有效措施之一,并且把风力发电作为电力方面可持续发展的战略选择。
世界各国都通过立法或提出优惠政策来积极激励、扶持发展风力发电技术。
近几年,随着风力发电机的技术快速发展,现代高科技技术不断融入风力发电,使得风力发电机组的可靠性得到了显著提高⑴。
大中型风力发电机组的可靠性已经高于火力发电,并且机组的使用寿命也可达20年以上。
因此,风力发电在许多国家都掀起了一股新的热潮,风力发电机是利用可再生能源的典型代表,因为其技术比较成熟,已经被世界上大多数国家列为发可再生能源的首选。
而中国是风能资源较丰富的国家,更需要开发利用风电技术。
风力发电将能够迅速缓解我国电力短缺和能源急需的局面,近几年中国出现大范围的缺电,开发风力发电对缓解缺电有着重大的意义。
风力发电的众多优势中,一个重要优点就是风电建设快,不同于火电和水电的建设,它们二者都需要数年来实现,风电只要拥有风场数据,风场就可以在短时间内建成。
此外,风力发电运用比较灵活,既能离网独立运行,用蓄电池存储电能,也能并网运行,还可以和其他类型能源,像太阳能发电、水力发电以及柴油发电等等组成互补发电系统。
这对于边远供电困难区域的用电问题提供了现实的解决方法。
世界风力发电正在飞速发展,我国也能通过迅速发展风力发电的模式来解决我国的电力短缺。
风力发电能有效解决边远农村的供电问题。
特别在中国西部地区,风力发电意义更加巨大,西部地广人稀,用电量小,仅靠大电网来解决西部的用电问题是不行的,必须同时研究开发像风力发电这样的零散供电系统,才能比较好地满足当地人民对电力的需求。
综上所述,开发风力资源,既能解决能源短缺问题,又可减少资源损耗,减少有害气体向空气中的排放,保护环境。
同时,风力发电也有巨大的经济效益和社会效益。
相比大型风力发电机,中小型风力发电机显得更加灵活,并且控制系统要简单一些。
我国的风力发电研究,就是从中小型风力发电机的研究开始起步的。
因此,对中小型风电机组的特性进行研究,将可靠和先进的控制技术应用到其中,提高中小型风力机的效率以及可靠性,对我国风力发电事业有着很充分的现实意义。
与以往现行的小型风力发电机相比,这次研发的20KW小型风力发电机采用主动变奖与主动偏航,具有重大意义。
1.2国内外现状
早在几十年前,欧洲国家就在风力发电的技术研究和发展上投入了大量精力,将最新科技成果投入到风力发电的研究,包括空气动力学,自动控制以及电力电子技术等方面的科技,大大促进了风力发电的发展,取得了显著的效果。
主发电机由恒速恒频控制发展到变速恒频控制,奖叶由失速控制发展到变桨距控制,主发电机由恒速恒频发展到变速恒频,开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术,大大提高了风机的可靠性和发电效率。
并且,
风力发电不局限于陆地上,像海上风力发电也取得了瞩目的成就。
对于欧洲国家来说,中国的风力发电技术起步较晚,虽然技术上存在着差距,但是经过一些年的迅猛发展,也取得了一定成效我国陆续研制出兆瓦级风力发电机组,并且成功在风场运行发电,海上风力发电机的研发也在有条不紊地进行。
不仅大型风力发电机发展趋势好,小型风力发电机也得到了迅猛发展。
由我国自行研制开发的小型风力发电机组具有启动风速低、低速性能好、限速可靠、具有较宽的工作范围,而且成本低,价格便宜,可在我国广大地区使用。
目前,广大农牧区内的用户已经可以通过小型风发电机组看电视和照明。
一些边防岛均上以前用柴油发电机的用户,也逐渐改变用小型风力发电机发电。
此外,公园、别壁庭院、高速公路旁、江边等地方,也都安装了小型风力发电机组,作为一道道亮丽的风景,供人们欣赏。
1.3小型风力发电机简介
1.3.1小型风力发电机的分类
风力发电机种类很多,但总的来说可以分为两类[3]。
一类是水平轴风力发电机,即风轮的旋转轴与风向平行。
大多这类风力发电机配备有偏航装置,使得风机机船能根据需要来转动。
其中,小型风力发电机一般依靠尾舵被动对风,而大型风力发电机一般通过风向传感器以及电动机来实现主动对风。
另一类是垂直轴风力发电机,即风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。
这类风力发电机无需对风,
1.3.2风力发电机组的运行方式
风力发电机组由运行方式主要分为两类。
一类是独立式风力发电机组,即发电机发出的电能不并网,而通过蓄电池储存起来,负载直接从蓄电池中用电。
当风速很小或为零时,蓄电池还负责向风力发电机供电,保持控制系统正常的运行。
这种风力发电机组的单机容量很小,这一类风机一般使用在用电量很小的场合,或者混合其他能源形成互补供电系统。
另一类是并网型风力发电机组,它们和电网并联运行,即使把发出的洁净能源送到电网上去,是一种相当经济的模式。
当风速很小或为零时,风机从电网得电来保持控制系统的正常运行。
目前大型风力发电机多采用这种运行方式,既可以单台并网,也可以上百台组成风力发电厂并网,成为电网的常规能源。
并网型风力发电机组中有时还附带蓄电池,这样使得风力发电机组更加灵活,当电网故障掉电的时候,也能通过蓄电池供电保证风力发电机组的正常运行。
并网型风力发电机组的整体框图如图1-2所示
图中,箭头表示电能的流动方向。
电网正常情况下,风机主发电机发出的电能,经过变流器,最后传送到电网上。
变流器的控制能源一直由电网提供,变流器控制器和电网之间接有一个AC/DC:
转换器,能够将电网的电能转换成24V直流电,以供变流控制器工作,当风力不足以发电时,变流器不但不能给电网输送电能,反而要消耗电网电能,因此,长时间检测到风速过低时,要停止变流器工作,以减少功耗。
蓄电池一直由电网充电,保证其蓄能满,从而保证控制系统的控制电能稳定。
当电网出现故障的时候,变流器不工作,控制系统的电能由蓄电池保证。
显而易见,这种类型的风机机组更加安全和灵活。
因此,这种类型的风机机组目前用的更多。
本文所研究的小型风力发电机就是这种类型的机组。
1.3.3风力主发电机的控制技术
风力主发电机的控制技术主要分为两种,即恒速控制和变速控制"]。
恒速控制出现的比较早,早期的风机大多釆用这种控制方式,顾名思义,恒速控制即保持风机的转速不变,这意味着无论风速怎么变,风力发电机的转子速度是固定的,并且决定于电网的频率,齿轮比和电机的设计。
恒速控制的风机配备了感应发电机(鼠笼式和绕线转子)直接连接到电网,伴随着软起动器和一个减少无功功率补偿的电容器。
恒速控制的风机被设计出来在一个特定的风速达到最大的效率。
为了提高电力生产,一些恒速控制风机的发电机有两个绕组:
一个用于低风速(通常是8极),另一个用于中等风速和高风速(通常4-6极)。
恒速控制的风机有着简单,安全和可靠的优点,这是能被多年地实践应用证明的。
同时电气部分成本部分低。
它的缺点包括无功功率消耗无法控制,机械应力的问题和有限的电能质量控制。
由于风机恒速控制,所有风速波动会被传播成机械转矩的波动,最后转换为电网上电能的波动。
对于弱电网,电力波动会导致大的电压波动,这极其不利。
由于发电机输出的电能没有经过变流器,而直接并网,为保证输出电能的频率和电网的频率一样固定不变,由公式f=np/60(式中,f为主发电机输出电能的频率,P为电机极对数,n为电机转速可知,要使主发电机输出电能的频率不变,就要维持主发电机的转速不变。
所以,需要调节风力发电机对风能的吸收效率来使主发电机的转速保持不变,这样做就降低了风能的利用效率。
变速控制,即风机的主发电机的转速是受控制变化的,这些年来,变速控制方式已经成为主导的控制方式。
变速控制的风机是为了在一定范围的风速内,获得最大的空气动力学效率。
伴随着变速操作,风机转速不断变化,以此来适应不断变化的风速,通过这种方式,来保证叶尖速比保持在一个恒定值,这个值是预先设定好的,以保证风机获得最大功率系数[5]。
与恒速控制相比,变速控制风机的控制系统比恒速控制风机的更加复杂。
它通常配有一个感应或同步发电机,并且通过变流器连接到电网。
变流器控制发电机转速,风速变化时,风机改变发电机的转速来改变功率的吸收。
变速控制风力发电机的优点是增加了能量捕获的能力,改善了电能质量和减少了在风机上的机械应力。
相对恒速控制,变速控制的缺点就是,采用了更多的组件,增加了设备的成本。
变速控制风力发电机类型的引入增加了可用发电机类型的数量,发电机类型和功率转换器类型也可以更加自由的结合。
本文所研究的风机就是采取变速恒频的控制方式,选取低速永磁直驱同步发电机作为主发电机,用变流器来控制主发电机工作并且把发出的电能经过变流器变换后再传到电网。
1.3.4流行的小型风力发电机类型
目前国内外小型风力发电机有以下四种技术类型:
1)上风向、恒速运行、叶片被动失速调节、尾翼被动偏航。
这种类型结构简单,维护容易,但其功率稳定性能差,尤其在大风情况下容易损坏。
`
2)上风向、定速或变速运行、机械被动变桨、主动控制偏航这种类型安全性能好,但其采用机械式被动变桨,不能保证长时间运行可靠,并且功率稳定性能也不高。
3)下风向、定速或变速运行、机械被动变奖或定桨距这种类型成本低,同时安全性能好,但整机是不可控的,对风精确度差以及风能利用率不高。
4)上风向、变速运行、电动或者液压主动控制变桨、主动控制偏航这种类型整机可控性高,风能利用效率高,功率稳定性能好,但其结构复杂,整体成本高。
本文研究的20kW小型风力发电机的技术方案为:
上风向、变速运行、电动主动控制变奖、主动控制偏航。
主动变桨不仅避免了大风情况下风机的损坏,还能实现功率恒定输出,变速运行增大了风能利用率,主动偏航能保证对准风向,实现最大风能的捕捉,合理利用风能。
1.3.5电力电子技术
风力发电技术的发展离不开电力电子技术的进步电力电子设备包括软启动器,电容器组,整流器,逆变器和变流器等等。
对整流器,逆变器和变流器有着各种各样不同的设计理念。
变流器的基本元素是二极管(不可控器件)和电子开关(可控器件),如可控晶闹管和晶体管。
二极管使电流只能朝一个方向流动,阻止电流在相反的方向流动。
而电子开关可以选择性地通断。
整流器,逆变器和变流器的具体情况将在下面的章节介绍。
软启动器是一种简单和廉价的电力电子器件,用于恒速风力发电机与电网连接的时刻。
软启动器的功能是减少在尖峰电流,从而限制了对电网的干扰。
假如没有软启动器,尖峰电流可达到额定电流的7-8倍,可以造成严重的电网电压扰动。
软启动器串接于风力发电机和电网之间,由两相反并联的晶闹管及其电子控制电路构成,这种电路类似于三相全控桥式整流电路。
通过控制两相反并联晶阐管的导通角,不断增加晶闹管的输出电压,最后晶闹管全部导通,实现了风力发电机与电网连接平滑连接,降低了尖峰电流。
启动过程结束后,晶闸管自动被旁路接触器取代,以降低整体的热损耗,同时延长了软启动器的工作寿命,提高了软启动器的工作效率,避免了电网的谐波污染。
电容器组用于恒速风机或变速风机。
这是一个给感应发电机提供无功功率的电气器件。
因此,被发电机从电网吸收的无功功率是最小化的。
根据发电机在预定义时间的平均无功功率需求,使得一定数量的电容器连接不断的连接或断开,从而使得风机的发电机可以有一个完整的负载动态补偿。
电容器组通常安装在塔的下部或机舱内,它们可能会在电网过压的情况下损坏,从而提高了系统的维护成本。
变速控制风机必须配有电力电子系统,从而可以把主发电机发出来的电能的频率和电压,和电网的匹配成一致,然后才能向电网输送电能。
在介绍电力电子技术之前,首先必须要理解的是,为什么电力电子技术的使用在风力发电机有着重大吸引力。
电力电子技术使得风机可以控制频率,从而实际应用变速控制。
从风力发电机角度来看,这点更为重要。
这个特性使得风力发电机具有以下优点:
(1)优化能源操作;
(2)减少负载传动系统的机械应力,风速变化是由转子速度变化吸收;
(3)负载控制;
(4)不需要齿轮箱;
(5)工作在低风速,噪声少。
对于风力发电机,缺点就是是功率电力电子器件损失和额外设备费用的增加。
此外,电力电子
技术可以使风力发电场成为电力系统得活跃的元素。
对于电网,会产生以下一些优点:
(1)风电场的有功和无功功率是可控的;
(2)功率变换器在风电场可以用作当地的无功功率源(例如对于弱电网);
(3)风电场有对电网的稳定性有着积极的影响;
⑷通过过滤掉低谐波和限制短路功率,功率转换器提高风电场的电能质量。
至于电网而言,电力电子有在电网上产生高次谐波电流的缺点。
电力电子在风力发电机中的
使用,对风力发电机本身和风力发电机连接的电网都有着重大意义。
1.4课题的来源
本论文课题选自硕士实习公司的一项产品研发项目。
该项目的目的是,考虑到传统的被动偏航变奖控制系统控制效果不理想,研发出一台并网型20KW小型风力发电机,风机机组为水平轴风力发电机机组,具备主动偏航,主动变奖的能力,控制系统采用以工控机为控制核心,分模块控制的基本思路。
各模块相互独立,又都受工控机控制。
设计理念是低成本,高性能,实用性高等等。
实习期间,参与了各个控制系统设计与调试,调试了各类传感器,并且对比分析选择最佳的传感器。
分析了调试过程中出现的问题,提出解决方案,不断优化设计,最后通过现场调试验证了整机控制系统的稳定性和高效性。
1.5论文的研究思路
本文研究思路如下:
1)仿照国外风力发电机控制系统,以工控机为控制核心,分模块控制的基本思路。
各模块相互独立,又都受工控机控制。
2)同时,受大型风力发电机控制的启发,将主动偏航系统和主动变桨系统引入小型风力发电机。
相比传统的被动偏航变桨,风能捕捉能力大大提高,系统安全性能也大幅上升。
3)主发电机采用永磁同步发电机,在风力发电机额定功率以前,用机侧变流器对主发电机进行最优转矩控制,从而达到最大功率追踪的目的。
主发电机发出的电能经过变流器整流逆变再送到电网,电能质量大幅度上升。
1.6论文的主要内容
论文研究的主要内容包括以下几点:
第一章通过查阅文献,深入研究了风力发电背景,意义以及国内外发展现状。
第二章分析了风力发电的原理以及决定小型风力发电机的总方案。
第三章着重研究小型风力发电机的最大风能捕捉,重点就偏航控制和变桨控制展开研究,相比传
统的被动偏航和被动变奖,研究和设计了实用的主动偏航和主动变桨控制系统,包括系统控制策略和具体实现等等。
第四章着重研究小型风力发电机功率控制系统,即变流器部分,包括额定功率前的最大功率追踪控制以及功率转换控制。
具体就变流器控制策略和具体实现展开研究。
第五章利用实验测试平台做了整机风力发电的调试,并且给出和分析了实验数据,给出了调试心得。
之后还做了风机空中风力发电的现场调试,记录和分析了实验数据,也给出了调试心得。
第六章给出了结论,还指出了需要改进的地方,对小型风力发电机的发展做了一些展望。
由于风力发电有着巨大的经济意义。
作者希望针对小型风力发电系统做研究和设计,来为小型风力发电的发展做出一份贡献。
1.7本章小结
本章先讲述了风力发电研究的背景,意义以及国内外现状,然后对小型风力发电机的分类,运行方式,发电机的控制技术等做了讨论,最后还对课题来源,论文主要内容以及创新之处进行了讲述,为下面章节的讲述做铺垫。
2风力发电机理论分析以及总方案设计
2.1理论分析
2.1.1风能利用系数
众所周知,风能与风速的平方成正比,而当物体在流体空气中变慢时,流体空气的动能会变成对物体的压力能,所以这个压力与风速的平方成正比。
又由于功率是力和速度的乘积,所以功率与风速的立方成正比空气中总能量公式为
(2-1)
由于空气中能量不能被风轮完全吸收,否则空气质量将会完全停止在栏截转子区。
这将给下面的空气团造成一个拥堵的横截面积区域。
1926年,贝茨首次提出,通过减少风的速度来理论上最大化利用风能。
理论上最大化利用风能的公式如下
(2-2)
(2-3)
式中,P是风机吸收的功率,Cp是风能利用系数,S是扫风面积,/7是空气密度,V是风速,R是风轮半径。
由(2-1)和(2-2)两个式子可以得出风能系数即风能利用系数,风能利用系数代表着风机从自然风能中吸收能量的大小程度。
2.1.2贝茨理论
贝茨理论假设的风轮是理想的,其中的风轮由无数叶片组成,可以看成一个圆盘,没有空气摩擦,从而可以把通过风轮的气流看成均匀的,且与风轮平面相互垂直,如图2-1所示
2风力发电机理论分析以及总方案设计
其中,理想风轮由上图中间面积为<5:
的区域代替,风经过此处的风速为7〗。
风轮前方处区域面积为 风轮后方处区域面积为S3,风经过此处的风速为Fa。 空气密度为P。 理想情况下,由于空气总流量不变,可以得出式子 (2-4) 由动量变化可以得出风轮上风的作用力: (2-5) 我们可以得出风轮前后动能的变化,即风轮吸收的功率 (2-6) 由于是理想模式,可以认为风轮吸收的功率等于风轮上风的作用力做功,即 (2-7) 由(2-6)和(2-7)得出 (2-8) 由(2-6)和(2-8)得出 (2-9) 4 由于风速是不受控制的,即固定的,我们可以把P看成厂3地函数。 通过对 (2-9)求导可得 (2-10) 令(2-10)等于零,可得 (2-11) 2风力发电机理论分析以及总方案设计 以及 V,=-V, (2-12) 由于Ki和厂3都是正实数,所以(2-11)没有实际意义。 将(2-12)代入(2-9),可得 (2-13) 此时P为理论上最大吸收功率。 由(2-2)和(2-13)得出Cf=0.593,此时的C,为最大风能利用系数,这表明即使没有任何功率损失,风机的风能利用率最大也只能达到59.3%。 2.1.3叶尖速比 叶尖速比是叶尖线速度与风速的比值,即 (2-14) 式中,fl)为风机主发电机转子角速度,n为风机主发电机的转速,R是风轮半径,V是风速。 实践表明,风能利用系数Cp与叶尖速比以及桨距角相关,在每一个固定的桨距角度下都有一个对应的最佳叶尖速比,使得此时的风能利用系数Cp最大。 为实现最大功率追踪控制,即保证Cp最大,应尽量保证最佳叶尖速比。 当风速变化时,我们可以调节主发电机的转速跟着风速的变化来变化,从而来保证最佳叶尖速比。 2.1.4MPPT控制 MPPT控制,即最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking)_。 风力发电机在运行过程中,如果能一直保证最佳叶尖速比。 那么可以得出,风速和主发电机的转速成正比。 (2-15) 将式(2-15)代入式(2-2),得到此时风力发电机的输出功率为 (2-16) 此时主发电机的机械转矩为 (2-17) 式中 - (2-18) 式(2-16)和(2-17)中的功率和转矩是最佳功率和最佳转矩。 式(2-16)所示风力发电机输出功率和主发电机转速之间的关系
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