永磁风力发电机核心技术（精选12篇）
发电机工作原理：和电动机一样在定子铁芯槽内放有A、B、C三相并且线圈匝数相等的线圈，在转子铁芯槽上也有线圈分N极和S极，当外面的直流电经电刷、滑环通入转子线圈后在转子线圈上会产生磁力线，这磁力线的方向从N极到S极，发电机转子被汽轮机转子带动以n1(3000转每分钟)速旋转时，相当于该转子磁力线也以n1的速度在旋转，这过程被定子线圈所切割在定子线圈中产生感应电动势（感应电压），发电机和外面线路上的负载连接后输出发电，这是基本的原理。
螺杆式单级压缩空压机工作原理：是由一对相互平行齿合的阴阳转子（或称螺杆）在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽与阳转子的齿被主电机驱动而旋转。
由电动机直接驱动压缩机，使曲轴产生旋转运动，带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由於气缸内压力的变化，通过进气阀使空气经过空气滤清器（消声器）进入气缸，在压缩行程中，由於气缸容积的缩小，压缩空气经过排气阀的作用，经排气管，单向阀（止回阀）进入储气罐，当排气压力达到额定压力
风力发电是一种目前开发火热的可再生能源,但是目前风机转换效率很低,风电建设成本很高,所以最大限度的提高风力发电机的最大功率输出是目前在研究的热门话题。风力发电机有两种机型,一种是双馈异步风力发电机(DFIG),一种是永磁同步风力发电机(PMSWG)。双馈异步风力发电机应用相当广泛,技术也非常成熟。永磁同步风力发电机较多的用于小型风力发电系统,随着其优越性能的体现,永磁同步发电机在风电领域应用越来越广泛,功率等级也越来越大。目前,对于永磁同步风力发电机的电路拓扑结构各不相同,最大功率跟踪技术也多种多样。
现在运用较多的永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制算法需要测量的变量较多,其中转速是必不可少的一个测量变量,但有时因为震动或者其他原因,转速测量并不是那么精确,或者一些小型的永磁同步风力发电机其转速测量实现起来并不像大型风力发电机那么容易。所以通过转速变量来实现永磁同步风力发电机的最大功率跟踪技术存在一定的不可靠性。所以,研究新的最大功率控制方法也显得很有必要。
本文将会以Buck-Boost Chopper电路为基础,对永磁同步风力发电机全功率变流器直流侧电压进行控制,采用爬山搜索法实现永磁同步风力发电机最大功率输出。
1 风力发电机运行原理
风力机的功率与风速的三次方成正比[1],即:
其中:ρ为空气密度,单位为kg/m3;S为风机叶片扫过的面积,单位为m2;v为风速,单位为m/s;CP为风力机输出功率的功率系数,小于0.59,一般在0.3~0.5之间。
叶尖速比:
其中:ω为风机角速度,单位为rad/s;n为风机转速,单位为r/min;R为风机叶轮半径,单位为m;功率系数CP与叶尖速比λ为非线性关系,如图1所示。
根据公式(1)、(2),可知在某一风速下,只要寻找到最大的功率系数CP,也就是最佳叶尖速比λ,就可以追踪到风机最大功率,经过长期的积累,形成了以下几种常用的最大功率控制方法:
(1)叶尖速比法:系统根据实时测量的风速v和风机转速ω计算出叶尖速比λ并构成叶尖速比闭环控制系统,如能一直保证λ=λopt也就保证了系统工作在最大功率点[2]。
(2)功率曲线跟踪法:实时测量不同风速下风机转速ω和风机输出功率P,跟随设定好的功率曲线进行最大功率跟踪[3]。
(3)爬山搜索法:此方法不需要对风速测量,也不需要风力机的精确的功率曲线,仅仅通过对发电机功率与转速的变化关系,来判断是通过增加转速还是降低转速来搜索最大功率。转速变大时,如果功率也增大,则继续增加转速来搜索最大功率点;如果功率降低,则降低转速来搜索最大功率点。转速降低时也是如此。
2 不控整流升降压斩波电路分析
以Buck-Boost Chopper电路为例进行分析,如图2所示将整个系统分为四个部分:发电机、不控整流、斩波电路、负载(蓄电池或逆变器),这四个部分都可以看作相对独立的。注意:斩波电路输入与输出反向[4,5,6,7]。
图2中Ea、Eb、Ec为发电机a、b、c三相定子感应电动势;Xa、Xb、Xc与Ra、Rb、Rc为发电机定子电抗与电阻;X=Xa=Xb=Xc与R=Ra=Rb=Rc;Ug、Ig为发电机定子输出相电压、相电流;Udc、Idc为整流后的直流电压、电流;Uload、Iload为负载电压、电流。
对于负载来说,其特性要求非常重要。如果是蓄电池,要求其容量足够,蓄电池本身也是完好的,这样可以稳定负载侧直流电压Uload;如果是逆变器,则需要通过对其变换器的控制,使负载侧直流电压Uload保持不变。负载电阻:
通过对Buck-Boost Chopper电路IGBT(绝缘栅双极晶体管)占空比的控制可以直接控制Udc的大小。设定IGBT占空比为α,根据功率守恒原则,直流电压Udc与负载电压Uload的关系为:
直流电流Idc与负载电流Iload的关系为:
直流电阻Rdc与负载电阻Rload的关系为:
由上述公式可得当占空比α<0.5时,输入电压大于输出电压,为降压电路,Rload
由公式(4)、(7)可以计算出直流电压Udc与发电机定子相电压Ug的关系为:
根据功率守恒原则,直流电流Idc与发电机定子相电流Ig的关系为:
发电机定子每相绕组的感应电动势E为:
其中,p为电机极对数;n为电机线速度,单位r/min;ω为电机角速度,单位rad/s;Nk为电枢每相绕组的有效匝数;Ф为每级磁通。
不考虑功率损耗,发电机输出功率:
由公式(8)、(9)、(11)得功率的表达式:
由公式(10)带入公式(12),整理得:
由公式(13)可知:每给定一个转速ω的情况下,都有一个x,即占空比α,使得风机工作在最大功率点。为了防止发电机定子侧以及直流侧过电压,占空比α不能太小,α范围设置为1/3~1,相应x的取值范围为2~0。当风力发电机刚刚启动的时候,占空比α可以取较小的值,以提高发电机在低风速时的出力。
3 基于爬山法最大功率算法的实现
基于爬山搜索最大功率算法[5],如图3所示为发电机功率-转速曲线。
根据功率与转速曲线可知,在某一固定风速下,发电机存在某一转速,可以使发电机处于最大功率输出状态。当发电机处于最大功率输出的时候,满足:
由于离网型风力发电机大多数都是小型发电机,出于成本和安装工艺的考虑,一般不会对转速进行测量。即使对转速进行测量,也可能会因为各种各样的原因,转速测量不准确。所以在控制策略中不再依赖对转速的测量,根据公式(13),可将爬山策略建立在功率与占空比的变化关系上,即d P/dα。
根据公式(14),对其进行分解得:
根据公式(4)、(8)得:
忽略发电机内部损耗,根据公式(10):
所以,存在:,使得功率处于最大点。
如图4所示:G为发电机最大功率工作点;Δx为x值的变化步长,变化后的x值减去变化前的x值;ΔP为x值变化时,相应的功率变化量,变化后的功率值减去变化前的功率值。
最大功率跟踪具体步骤如下:(1)初始某一风速v下,发电机转速为ω,当前工作点为A,此时x=xa,P=Pa。(2)x增加一个步长Δx,此时x=xb,功率也发生变化ΔP,P=Pb;(3)如果ΔP>0时,则继续增加x一个步长,功率也相应的变化ΔP,直到ΔP=0,既运行在最大功率点上;(4)如果ΔP<0时,则减小x一个步长,功率也相应的变化ΔP,如果ΔP>0,则继续减小x,直到ΔP=0,使系统工作在最大功率点上。(5)当初始情况下x减小一个步长Δx,其最大功率搜索逻辑和上述一致。
注意:最大功率点ΔP不是完全等于0的,只是ΔP小于一个很小的数值。具体的流程图如图5所示。
以上最大功率搜索时建立在固定风速、固定转速之下,当风速发生变换时,相应的转速也会发生变化,风机将会运行在新的P-x曲线上。同样,根据上述方法在新的P-x曲线上进行最大功率搜索。由于x=(1-α)/α,可知x与α是一一对应的关系,当x处于某值的时候存在最大功率,必然会有一个占空比α,使得发电机功率处于最大值。
4 系统仿真
1)仿真参数
现在以一台离网型10 k W风力发电机为例进行仿真,仿真软件为Matlab/Simulink。具体仿真参数如下:发电机参数:极对数p=10,额定功率PN=10k W,额定转速n=200 r/min,定子每相串联匝数N1=228,每极主磁通Φ=6.616×10-3Wb,定子电阻Rs=0.362Ω,定子直轴电感Ld=6.5 m H,定子交轴电感Lq=13.5 m H;蓄电池参数:标称电压为300 V DC,蓄电池容量为1 000 A·h,初始容量为75%,蓄电池内阻为0.003Ω。
2)仿真过程
使发电机转速维持在200 r/min(额定转速),改变Buck-Boost Chopper电路IGBT的占空比,观察输出功率的变化如图6所示。
由图6的仿真波形得到当占空比在0.72时,发电机在额定转速下得到最大功率,P=10.6 k W。
3)仿真结果分析
发电机维持在额定转速,当占空比从0逐渐增加到1的过程中,发电机功率曲线呈山峰形状,在IGBT某一占空比下找到最大功率点,从而验证了算法的正确性。同样在其他转速下也能得到同样的仿真结果[8]。
5 结语
本文是基于斩波电路的反向应用来实现对风力发电机输出功率的控制。从仿真中可以看到,本文所建立的永磁同步风力发电机组模型的正确性,实现了Buck-Boost Chopper电路输入电压的控制和风力发电机最大功率的追踪,也进一步验证了本文所使用的控制策略的有效性。该控制策略同时适合于离网型永磁同步风力发电机控制和并网型永磁同步风力发电机;不仅Buck-Boost Chopper电路能实现该控制策略,其他一些斩波电路也可以实现该控制策略。总之,由于电力电子技术的发展,使得风力发电机控制由比较单一的机械控制,转向了手段丰富的电气控制,要想实现更好的控制,还需要进一步探索。
摘要：介绍了风力发电机运行原理,以及常用的风力发电机功率跟踪技术。在Buck-Boost Chopper电路的基础上,对其进行反向应用,推导出永磁同步风力发电机功率和Buck-Boost Chopper电路IGBT(绝缘栅双极晶体管)占空比的关系式。采用爬山搜索法对风力发电机最大功率进行搜索,并通过Matlab/Simulink仿真得出了整个推断的正确性。
关键词：永磁同步风力发电,斩波电路,最大功率跟踪,爬山法
参考文献
[1]吴迪,张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J].大电机技术,2006(6):51-55.
[2]许洪华,倪受元.独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J].太阳能学报,1998,19(1):30-35.
[3]曹云峰,蔡旭.变速恒频双馈风力发电系统最大功率跟踪算法的比较与仿真研究[J].华东电力,2008,36(10):1234-1238.
[4]邓秋玲,谢卫才,林友杰,彭磊,许志伟.使用永磁同步发电机和boost斩波电路的风力发电系统[J].湘潭大学自然科学学报,2009,31(2):119-122.
[5]陈兴峰,曹志峰,许洪华,焦在强.光伏发电的最大功率跟踪算法研究[J].可再生能源,2005(1):8-11.
[6]陈家权,薛娟妮,杨刚峰,丰家辉.直驱风电系统最大功率捕获技术的仿真分析[J].可再生能源,2009(1):23-26.
[7]张建辉,许莹莹.离网小型风力发电系统的研究[J].华东电力,2008,36(11):118-120.
摘要：分析了表面式与内置式永磁同步发电机转子结构上的差异，选定电机的转子结构型式，对永磁同步风力发电机的性能特点进行了分析和研究，计算了2，935 Mw高速永磁同步风力发电机的电磁方案，对上述确定的电磁计算方案，利用有限元软件进行仿真，分析了发电机的空载、负载、短路特性，研究了电压波形正弦性畸变率、齿槽转矩、功率因数、短路电流的计算，经验证，各项性能满足设计要求，
关键词：有限元方法；永磁电机；风力发电；电磁设计；性能分析
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.019
中图分类号：TM301.4
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0101-05
0引言
近几年环境污染愈发严重，新能源的研究和利用越来越受到人们的重视，而风能由于其分布面积广、总量大等特点成为可再生能源中的研究热点，风力发电逐渐变成除火电、水电、核电之外的第四大发电方式，目前在国内半直驱永磁同步发电机的设计还处于探索阶段，设计方法还不成熟，因此研究Mw级半直驱风力发电机将会有利于提高我国风力发电设计的整体能力，推进风力发电行业的发展，加快我国风电机组的国产化步伐，缩小我国与发达国家风电技术上的差距，为我国的环保与能源事业尽一份力。
永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，效率高，同时可以提高电机的功率密度，虽然发电机成本增加，但对于降低机组的振动噪声和提高运行可靠性有着重要意义，文对永磁同步电机气隙磁密的影响因素进行了分析，文应用傅里叶分解得出了传统的多相异步电动机谐波电流与建立的谐波电势的关系，谐波次数较低，忽略了高次谐波，文对传统电励磁的同步发电机定子斜槽的空载电压波形进行了数值计算，同时对齿磁通进行了计算，文通过非均匀气隙法、多段磁钢法、调整磁极宽度、斜槽法等方法，优化气隙磁场来改善电机性能，本文利用有限元软件对电机进行空载、负载、短路性能分析，主要包括空载电压，齿槽转矩、负载电磁转矩、功率因数的分析。
1.永磁同步发电机的转子构造
永磁同步发电机在转子尺寸确定的情况下，选择不同的转子结构，永磁体体积不同，永磁体提供的磁通量也会不同，从而永磁同步发电机的性能参数也会不同，
图1为永磁同步发电机几种转子结构，现分析转子结构并选取转子模型，假设永磁同步发电机转子的长度为L，外径为R，内径为r，假设永磁体径向充磁方向长度为h，切向为2h，估算各种转子结构的永磁体提供磁通的最大截面积A。，
永磁体提供磁通的最大截面积，图1（a）为：
对于6极永磁同步电机，转子内外径的比值大约是0，4，现取0，4进行估算，得到不同结构的永磁体截面积值，如表1所示，
虽然在表l中所得的数据是估算的，但是可以从中得到磁通面积变化趋势，从表1中可以看出，内置式W型磁钢提供的磁通面积最大，其次是内置式u型磁钢，对于半直驱永磁同步发电机而言，应优先选取内置式V型，U型，W型磁钢本文电机选取U型磁钢，此种电机有以下一些特点：
1）此结构较表面式永磁发电机简单，省去了导磁性的不锈钢套环，
2）由于没有套环，所以其等效气隙小，与使用相同磁钢的表面式永磁同步发电机相比，此结构主磁路磁阻小，可获得更高的磁通密度，
3）由于磁钢端部产生漏磁通，所以通常在不影响机械强度的前提下，在磁钢端部用磁导率与空气材料相同的材料做延伸，降低磁钢端部漏磁，
4）由于磁钢内嵌入转子铁心，而转子铁心内空间较大，所以磁钢形状及排布可以有更大的自由选择空间，
5）内置式永磁同步发电机与表面式永磁同步发电机相比，其q轴的电感较大，导致q轴的电枢反应也比较大，容易受到磁饱和的影响，
2.永磁风力发电机运行性能分析
2.935 MW永磁同步风力发电机采用U型磁钢转子结构，定子槽数为72，极对数为3，三相双绕组结构，工作温度120°C，磁性槽楔的相对磁导率为4，永磁风力发电机的性能指标列于表2，
2.1空载特性
通过空载运行特性，可以校核电机的磁路设计是否合理，以此依据及时调整电机结构，得到输出电压的大小及其波形畸变程度，图5给出了有限元仿真空载电压波形，可以看空载相电势波形很接近于正弦波，图6为空载电压的谐波分量分布情况，经求得线电压波形正弦性畸变率为4，2%，小于GB755—2008《旋转电机定额和性能》中5%的规定，图7为发电机工作在额定转速下的空载磁密分布云图，从图中可以看出定子齿部、轭部、转子部分、磁钢部分磁密分布比较合理，空载齿槽转矩如图8所示，因为永磁同步风力发电机槽数为72，极数为6，所以最小公倍数为72，那么槽转矩基波个数为72。相邻齿距基波数个数为1，机械角为5，齿槽转矩的最大幅值为636 N·m，占发电机额定转矩的3，9%，满足设计要求。
2.2额定负载特性
本文采用图9所示场路耦合模型模拟发电机运行，经过仿真发电机额定负载端电压和端电流波形如图10所示，从图可以看出波形为比较平整的正弦波，经计算线电压有效值为690 V，达到了额定值，而从其二者的相位可得功率因数为1，与设计相符，
2.3短路特性
短路状况下，永磁发电机运行是极为恶劣的，设计不当会引起永磁体的退磁，对此需要对永磁发电机进行最恶劣短路时情况进行仿真计算，三相短路为最恶劣短路，通过搭建外电路对永磁发电机短路时进行分析，所施加的外电路如图11所示，提取A相短路电流最大时刻三相短路波形如图12所示，开始时刻为瞬态短路，当短路电流波形稳定时，为稳态短路，瞬态短路时电流最大值为14669.7A，为额定电流的5.97倍，电流稳定后的有效值为4314.6A，是额定电流的1.757倍，均满足设计要求。
3.结论
在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。
随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。作为风力资源较为丰富的国家之一，我国加快了风电技术领域的自主开发与研究，“十五”期间，600kw风力发电机组开始产业化实施，兆瓦级失速型。兆瓦级变速恒频的风力发电机组国产化已列入国家“863”科技攻关顶目。本文针对当前并网型风力发电机组的几种功率凋节控制技术进行了介绍，并指出其各自的优缺点。
1定桨距失速调节型风力发电机组 定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。主动失速调节型风力发电机组 将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。
其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；
2.1风力发电机组机型及容量的发展
现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，突破1MW，即达到2MW。进入21世纪，兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。德国Repower即研制出第一台5MW风电机，Enercon开发出第二代直驱式6WM风电机，预计单机容量将突破15MW[1,3]。从世界范围来看，1.5MW-2MW的机型占世界机组容量的比例，已从的63.7%飞速上升到80.4%;而在我国，年风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的21.5%，而2009年比例已经上升到86.86%[4]。这表明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。
2.2风力发电机组控制技术的发展
控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术[5,6]，这是因为：
1)自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。
2)为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径大约在60m~100m之间，因此风轮具有较大的转动惯量。
3)自动控制在风力发电机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中都应得到很好的利用。
4)风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，在海岛和边远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。
因此，众多学者都致力于深入研究风力发电的控制技术和控制系统，这些研究工作对于风力发电机组优化运行有极其重要的意义。计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。
定桨距型风力机指桨叶与轮毂的连接是固定的，即桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。失速型是当风速高于额定风速，利用桨叶翼型本身所具有的失速特性，即气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，将发电机的功率输出限制在一定范围内。失速调节型的优点是简单可靠，当风速变化引起输出功率变化时，只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不做任何控制，使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低，也使得这些关键部件更容易疲劳磨损。
变速恒频风力发电机组是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，其转速不受发电机输出功率的限制，而其输出电压的频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。与恒速风电机组相比，它的优越性在于：低风速时能够跟踪风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化调节风力机桨距角，在保证风电机组安全稳定运行的同时，使输出功率更加平稳。变速恒频风力发电机组通过励磁控制和变桨距调节来实现最佳运行状态。变桨距是根据风速和发电机转速来调整叶片桨距角，从而控制发电机输出功率，由传动齿轮箱、伺服电机和驱动控制单元组成。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，以得到理想的输出功率。变桨距风力发电机组的优点是：输出功率平稳，在额定点具有较高的风能利用系数，具有更好的起动性能与制动性能，能够确保高风速段的额定功率。
2.3风力发电机组控制策略的发展
风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组通常采用柔性部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。目前，对风力发电机的控制策略研究根据控制器类型可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。传统控制采用线性控制方法，通过调节发电机电磁转矩或桨叶节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。对于快速变化的风速，其调节相对滞后。同时基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。
现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等[7,8]。变结构控制因具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优点而在风电系统中得到广泛应用。鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于被控制对象的精确的数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被调节对象有较强的鲁棒性。由于风力发电机的精确数学模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电机组的控制，越来越受到风电研究人员的重视。人工神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络的结构与特征的系统。利用神经元可以构成各种不同的拓扑结构的神经网络，它是生物神经网络的一种模拟和近似。利用神经网络的学习特性，可用于风力机的低风速的节距控制。
3存在的问题及展望
尽管近年来我国风电产业得到了迅猛的发展，但同时也暴露出众多的问题。
首先，我国尚未完全掌握风电机组的核心设计及制造技术。在设计技术方面，我国不仅每年需支付大量的专利、生产许可及技术咨询费用，在一些具有自主研发能力的风电企业中，其设计所需的应用软件、数据库和源代码都需要从国外购买。在风机制造方面，风机控制系统、逆变系统需要大量进口，同时，一些核心零部件如轴承、叶片和齿轮箱等与国外同类产品相比其质量、寿命及可靠性尚有很大差距。其次，我国风电发展规划与电网规划不相协调，上网容量远小于装机容量。风电发展侧重于资源规划，风电场的建设往往没有考虑当地电网的消纳能力，从而造成装机容量大，并网发电少的现状。2009年新增装机容量中1/3未能上网，送电难已经成为制约风电发展的瓶颈。最后，我国风电的技术标准和规范不健全，包括风机制造、检测、调试、关键零部件生产及电场入网等相关标准亟需建立和完善。因此，展望我国未来的风电产业发展，必须加强自主创新掌握核心技术;必须加大电网建设力度，合理规范风电开发;必须加大政策扶持力度，建立健全完善统一的风电标准规范体系。
参考文献：
[1] 陈永祥,方征.中国风电发展现状、趋势及建议[J].科技综述，(4)：14-19.
[2] 张明锋, 邓凯,陈波等.中国风电产业现状与发展[J].机电工程，2010，1(27)：1-3.
[3] 党福玲，朝克，贾永.我国风电产业发展现状浅析[J].经济论坛，2010(12)：58-60.
[4] 韩永奇，韩晨曦.中国风电产业的发展与前景[J].新材料产业，2010(12)：8-10.
[5] 王超，张怀宇，王辛慧等.风力发电技术及其发展方向[J].电站系统工程，，22(2)：11-13.
[6] 许洪华,郭金东.世界风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨[J].电力设备，2005，6(10)：106-108.
[7] 张新房,徐大平,柳亦兵等.风力发电技术的发展及相关控制问题综述[J].华北电力技术，2005(5):42-45.
在风力发电系统中，控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术。这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入和切出、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求。
要研究一套可靠的风电控制系统，首先要了解风力机工作的基本原理，包括风力机的能量转换过程、空气动力特性、简化叶素动量理论和涡流理论等。掌握以上知识，才能知道在何种情况下应进行何种控制以及对哪些参数进行控制才能达到相应效果。
在对风力机的控制策略进行归纳后得出风力机的控制要素主要有以下几部分：转速、偏航、停机、发电机。其中转速控制分为定桨距控制和变桨距控制，变桨距控制又可分为恒速恒频和变速恒频控制。定桨距控制的策略是在风速过大时采取失速控制以防转速过大，变桨距控制则相对灵活主要通过调节桨距角和转速使风力机的运行符合要求。
目前风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变速恒频技术的变速运行，对于风力机的变速恒频运行，除需要了解风力机的原理之外，还需掌握风电机组控制系统的特性。这种特性主要是风力机的功率因数与叶尖速比和桨距角的关系。对于某一固定的桨距角，存在唯一的最佳速比使得功率因数最大。而对于任意的叶尖速比，桨距角为0度时功率因数相对最大，桨距角增大，功率因数明显减小。根据这种特性，变速恒频控制的策略就是在额定功率前都将桨距角置于最小的位置，一般3度左右，这时调节发电机的转速n，使得叶尖速比始终对应最佳功率因数点。当风速超过额定风速时，则增大桨距角使风力机的功率稳定在允许范围之内。
本文以永磁同步电机为研究对象, 建立完整的PMSM模型, 包括空气动力学部分模型 (风力机模型和传动系统模型) 、发电机模型, 提出发电机机械部分的转速制策略和电气部分的转速控制策略, 对永磁同步电机的控制策略进行了研究。根据风力机的空气动力学模型, 通过滑模变结构控制策略的基本原理, 完成了风力机速度环和位置环控制器参数的设计。在硬件设计的基础上, 编写了系统的软件部分。在滑模变控制原理的设计基础下, 给出控制策略的仿真模型及实现方法, 进行仿真验证和分析, 验证了理论的可行性。
1 永磁同步风力发电机的数学模型
变速恒频永磁同步风力发电机组结构包括如下几个基本组成部分:风力机、发电机、直流/交流逆变器、控制系统等。
风力机将捕获的风能转换为机械能来驱动永磁发电机。永磁发电机的转速随着风速的变化而变化, 因而发出的电能是电压和频率都变化的电能。为了得到恒压恒频的电能就必须进行交直交变流, 再通过滤波器滤波将逆变器输出变换成正弦波输出, 使输出功率保持恒定。
风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件, 它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出, 而且直接影响机组的安全稳定运行。其输出功率主要受三个因素的影响:可利用的风能、发电机的功率曲线和发电机对变化风速的响应能力。在任何风速下, 只要λ=λopt, 就可维持风力机在Cpmax下运行, 即稳态运行时, 对于固定的桨距角β, 存在最优叶尖速比λopt和最大风能利用系数Cpmax。因此风轮转速必须随风速变化而变化从而保持最优叶尖速比λopt不变。
三相永磁同步电机是一个具有多变量、强祸合及非线性的复杂系统, 要想对它进行直接的控制是十分困难的, 因此需要借助Park坐标变换, 将它解耦, 使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系, 此时, 同步坐标系中的各空间向量就都变成了直流量, 这样就把定子电流中的励磁分量和转矩分量变成标量独立开来, 对这些给定量实时控制, 就能达到直流电机的控制性能了。
图1为永磁同步发电机的数学模型。根据坐标变换前后基波合成磁动势等效的原则, 可将三相静止坐标系A, B, C也可将坐标系固定在转子上, 在空间随同转子以电角速度ω一起旋转, 得到两相旋转坐标系d, q, 定义坐标系中d轴与转子磁极轴线重合, q轴逆时针超前d轴90°空间电角度, d轴与A相定子绕组的夹角为θ。
2 永磁同步风力发电机滑模控制器的设计
2.1 控制策略概况
风力发电的控制方式有恒速恒频与变速恒频两种, 发电系统一般采用普通的同步发电机或感应发电机。由于同步发电机输出电能的频率满足f=p/60n的关系, 要使频率f保持不变, 应使发电机的转速n保持不变。保持发电机转速不变需要改变风力机对风能的利用率, 所以恒速恒频风力发电系统不能实现风力机的最大风能利用。
变速恒频风力发电系统在风力发电过程中可以让风车的转速随风速而变化, 不必保持风力机转速恒定, 而是通过其它控制方式来得到恒定频率的电能, 因此它能够实现风力机持续运行在Cpmax的点上 (即风能利用系数保持最佳值) , 实现最大风能利用。
2.2 滑模变控制的基本原理
变结构控制本质上是一种特殊的非线性控制, 其非线性表现为控制的不连续性。所谓变结构系统, 是指系统在整个运行调节过程中, 有几个不同的调节器结构。根据运行参数的变化使系统环节间的联接方式发生变化。建立变结构系统的基本思想在于组织好这几个调节器结构, 并根据控制指标和控制要求, 在对对象的控制过程中选取不同的调节器进行切换, 以便在每一控制过程和控制时段最大限度地利用各个调节器的良好性能。由于变结构控制自身的非线性及其高速切换, 它特别适用于风力发电机组复杂多变量非线性系统对象的控制[1,2]。
滑模控制 (变结构控制) 系统是指存在一个或几个切换函数, 当系统的状态达到切换函数值时, 系统从一个结构转换成另一个结构的系统, 也就是在控制过程中, 系统结构 (或称为模型) 可发生变化的系统。
在滑动模状态下, 系统响应仅与对象本身参数及切换超曲面选择有关, 而与系统参数变化、外界干扰及控制量无关, 控制量仅用于确保系统状态产生滑动模[4]。
2.3 速度环变结构控制设计
在变速恒频永磁同步风力发电中, 由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求, 发电机转速在不断地变化, 而且经常在同步速上、下波动, 这就要求发电机不仅要有良好的变频输入、输出特性, 而且要有能量双向流动的能力。采用变结构控制方法, 很适合这种“开关”工作模式的功率电子器件的控制。
滑模变结构控制的关键在于开关面函数的选取。考虑理想情况, 忽略粘性摩擦时, 根据永磁同步电机的解耦状态方程式, 令状态变量x1=ωref-ωr代表速度误差, x2=x1'作为速度滑模变结构调节器输入, 调节器输出即电流给定u=iqref, 从而得速度环滑模变结构调节器。
在设计速度调节器时, 为了削弱滑模控制的抖动, 使转矩平滑, 提高稳态精度, 在滑模变结构调节器与对象之间引入积分补偿环节, 可以将滑模变结构调节器输出的开关信号转化为平均转矩指令信号, 从而避免将控制直接作用对象而导致大的转矩脉动甚至激发机械共振。通过理论分析可知滑模变结构控制是Lyapunov意义下渐近稳定的[5]。
2.4 位置环变结构控制设计
位置环滑模变结构调节器的输出为速度闭环的速度给定位置环滑模变结构调节器的设计对被控系统模型精度要求不是很高, 可将速度闭环系统等价为拉普拉斯一阶系统, 通过分析可得位置环滑模变结构调节器结构。
3 滑模控制MATLAB仿真及分析
3.1 逆变控制系统的原理和软件实现
PWM (Pulse Width Modulation) 控制是对脉冲的宽度进行调制的技术, 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制, 来等效的获得所需要的波形。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制, 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲, 用这些脉冲代替正弦波或需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制, 既可改变逆变电路输出电压的大小, 也可改变输出频率。目前利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术, 在中小功率的逆变电源中应用十分广泛。
逆变控制系统的主程序采用汇编语言编写。DSP芯片首先初始化SA4828, 开中断系统。传送完控制参数后, 输出PWM控制信号, 逆变器开始工作。工作过程中, DSP芯片不断的处理PWM输出的电压检测反馈回来的信号, 控制SA4828调整输出的PWM控制信号, 控制系统的输出状态, 以满足系统的性能要求。
3.2 滑模变结构控制方案的仿真
基于串级滑模变结构控制方案组成的风力永磁同步发电机控制系统的仿真结构图如图2所示。
从模拟结果可以看出, 滑模控制器在系统中表现了良好的动态特性:在低速、常速和高速条件下, 都可以观测到同样的动态特性, 特别是在高速风况下, 滑模控制器可以有效抑制系统的扰动, 兼顾最大功率系数的跟踪和良好的发电质量。
参考文献
[1]叶杭治.风力发电机组的控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社, 2006.
[2]姚琼荟, 黄继起, 吴汉松.变结构控制系统重庆重庆大学出版社, 1997.
[3]胡俊达, 胡慧.基于滑模变结构控制的异步电机速度控制的应用研究[J].大电机技术, 2006, 5:32-35.
[4]陈堂贤, 等.风力永磁同步发电机串级滑模变结构控制.电气自动化, 2008, 30 (3) :8-11
[5]宋丹, 吴春华.基于滑模观测器的永磁同步电机控制系统研究[J].电力电子, 2007, 3:9-11.
[6]李亚林, 变速恒频风力发电系统的仿真研究.电力科学与工程2007.7:1-5.
2007-04-16 15:57阅读1139评论1
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现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电
网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。
最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些
问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这
样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向；风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。
早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系
统逐步取代液压变距。
就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网；同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停
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一、填空题(每空1分，共43分)
1、风力发电机开始发电时，轮毂高度处的最低风速叫。（切入风速）
2、叶轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积称为。（扫掠面积）
3、风电场生产必须坚持，的原则。（安全第一，预防为主）
4、禁止一人爬梯或在塔内工作，为安全起见应至少有 人工作。（两）
5、风能的大小与风速的 成正比。（立方）
6、粘度指数反映了油的粘度随 变化的特性。（温度）
7、齿轮箱的润滑有飞溅和 润滑。（强制）
8、风力发电机的 是表示风力发电机的净电输出功率和轮毂高度处风速的函数关系。（功率曲线）
9、完整的液压系统由:、、、和
几部分构成成。(动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油)
10、在一般运行情况下，风轮上的动力来源于气流在翼型上流过产生的升力。由于风轮转速恒定，风速增加叶片上的迎角随之增加，直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，这种现象称为。（失速）
11、进行风电机螺栓工作时我们应怎样进行 紧固。（对角）
12、偏航系统一般由、、、、、等几个部分组成。（偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路）
13、风力发电机组的偏航系统一般有 和 两种形式。偏航驱动装置可以采用电动机驱动或液压马达驱动。（外齿形式和内齿形式）
14、SCADA系统可以记录风机的（五分钟）记录，（触发）记录，（功率）曲线，（风玫瑰）图。
15、SCADA系统通过（IP）地址访问每台风机PLC控制器。
16、双馈风机使用的发电机是 异步 电机（异步电机）
17、双馈式异步发电机运行模式有：（同步）、（亚同步）、（超同步）。
18、电网中的远动装置通常具备有遥（测）、遥（信）、遥（控）、遥（调）四种功能。
19、（多）模光纤用于机舱塔底控制器之间通讯，（单）模光纤用于风场环网通讯。
20、万用表用完后，应将选择开关拨在（交流电压）档位。
21、速度编码器安装在滑环盖的末端，用于监控发电机的（转速）。
22、变频器本质上是一种通过（频率变换）方式来进行转矩和磁场调节的电机控制器。
23、电力系统中，将大电流按比例变换为小电流的设备称为（电流互感器）。
24、风力发电机组的偏航系统的主要作用是与其控制系统配合，使风电机的风轮在正常情况下处于（迎）风状态。
25、一般电气设备铭牌上的电压和电流的数值是（有效值）。
26、在攀爬风机时必须使用 安全带、安全帽、绝缘鞋、止跌扣、防滑手套
27、风力发电电缆的A,B,C三相，分别用 黄，绿，红 三种颜色标记相序。
28、灭火方法、化学抑制法、隔离法、冷却法、窒息法 等。
29、遇有 雷雨天气，照明不足，大雾天气，指挥人员看不清楚 各工作地点，或起重驾驶员看不见指挥人员时，不得进行起重工作。
30、冷却润滑油系统由: 电机 油泵 过滤器 管路 风扇 五部分构成。
31、风轮吸收风中的（风能）并转换成风轮的旋转（机械能），通过联接在轮毂上的增速箱主轴传入增速箱，增速箱把风轮输入的大扭矩、低转速能量通过两级（行星）一级（平行）轴转化成小扭矩、高转速的形式后，通过联轴器，传递给发电机，发电机安装在机舱的尾部，它将（机械能）转变成（电能）并被供到电网上。
32、现场变压器低压侧电压为690V，相对地电压为400V。
33、风速 与 风向 是确定风况的两个重要参数
34、风机电气系统主要由（变桨系统，机舱系统，塔底系统，中央监控系统）组成。
35、在潮湿地方作业与正常地方作业,其安全电压分别为12伏和36伏。
36、五清：定期清理施工现场，每天一小清，每周一大清，随干随清，谁干谁清，工完料净场地清，避免因工作场所凌乱造成不安全因素
37、吊装前，吊装人员必须检查吊车的各零部件，正确选择吊具。起吊前，认真检查起吊的风机部件，防止起吊过程中的物品坠落。
38、基础底段塔筒与基础环联接螺栓在施工过程中需要紧固四次，都用到了电动扳手、液压力矩扳手、其中在紧固螺栓时用到的套筒型号为S60，螺栓力矩最终检查完毕后要用记号笔做螺栓防松标记线，标记应清晰可见
39、冷却润滑油系统由:循环油泵 联接管路 温控阀 净化装置 散热装置五部分构成40、联轴器是联接齿轮箱和发电机之间的一种柔性联接
41、人体触电的方式有单相触电，两相触电，跨步触电。
42、吊装塔筒时的风速不得大于12m/s 吊装机舱时风速不得大于8m/s吊装轮毂和叶片时风速不得大于6m/s。
43、CCWE1500系列风电机组偏航电机功率 3 KW，变桨电机功率 5.5 KW。
二、选择题(每题1分，共28分）
1、风能是属于 的转化形式。(A)
A、太阳能； B、潮汐能； C、生物质能； D、其他能源。
2、风力发电机工作过程中，能量的转化顺序是。(A)
A、风能—动能—机械能—电能； B、动能—风能—机械能—电能；
C、动能—机械能—电能—风能； D、机械能—风能—动能—电能。
3、风力发电机组结构所能承受的最大设计风速叫。（B）
A、平均风速； B、安全风速； C、切出风速； D、瞬时风速。
4、以下选项中不是风形成的必要元素是。（D）
A、太阳光照射； B、海洋陆地温差；
C、地球自转； D、地球公转。
5、我国建设风电场时，一般要求在当地连续测风 以上。（D）
A、3个月;B、6个月； C、3年； D、1年。
6、当风力发电机组排列方式为矩阵分布时，在综合考虑后，一般各风电机组的间距应不大于 倍风轮直径。（C）
A、1;B、2； C、3～5； D、9。
7、在风力发电机组所使用的润滑油中，合成油的主要优点是在极低温度下具有较好的。（B）
A、性能;B、流动性； C、抗磨性； D、抗腐蚀性。
8、风力发电机达到额定功率输出时规定的风速叫。（B）
A、平均风速;B、额定风速； C、最大风速； D、启动风速。
9、风力发电机组规定的工作风速范围一般是。(C)
A、0～18m/s;B、0～25m/s； C、3～25m/s； D、6～30m/s。
10、在风力发电机组登塔工作前，并把维护开关置于维护状态，将远控制屏蔽。（C）
A、应巡视风电机组;B、应断开电源； C、必须手动停机； D、不可停机。
11、避雷器主要是用来限制 的一种保护设备。（D）
A、短路电流； B、有功； C、无功； D、大气过电压。
12、风速仪传感器属于。（C）
A、温度传感器;B、压力传感器 ； C、转速传感器； D、振动传感器。
13、偏航时，俯视机舱顺时针为。（A）
A、正转； B、反转； C、侧转； D、逆转。
14、风能的大小与空气密度。（A）
A、成正比;B、成反比； C、平方成正比； D、立方成正比。
15、在某一期间内，风力发电机组的实际发电量与理论发电量的比值，叫风力发电机组的。(A)
A、容量系数； B、功率系数； C、可利用率； D、发电率。
16、风能利用率Cp最大值可达。(B)
A、45%； B、59%； C、65%； D、80%。
17、被电击的人能否获救，关键在于。（D）
A、触电的方式 B、人体电阻的大小
C、触电电压的高低 D、能否尽快脱离电源和施行紧急救护
18、在雷击过后至少 后才可以接近风力发电机组。（C）
A、0.2h B、0.5h C、1h D、2h19、风力发电机的偏航系统，主要作用是，使风机发电机，始终处于 状态。（C）
A、发电机满发状态 B、运行状态 C、迎风状态 D解缆状态
20、机组吊装时，地面工作人员应站在。（C）
A、吊物的正下方 B、吊物的下风向 C、吊物的上风向
21、在安装风机时，涂抹二硫化钼的作用是。（B）
A、防腐； B、润滑； C、让螺栓提供强度
22、风力发电机所用的轴承润滑油需要有。（A）
A、高温性能和抗磨性能； B、好的流动性； C、绝缘性能。
23、重大死亡事故是指。（C）。
A、一次死亡2人的事故；
B、多次死亡人以上的事故；
C、一次死亡3人及以上的事故。
24、对于操作工人来说，下面 部分的安全教育内容最为重要。（A)
A、安全生产知识、安全意识与安全操作技能教育；
B、安全科学基本理论与教育；
C、安全生产方针、法规与管理方法教育；
25、发生火灾时，应贯彻执行 的准则。(C)
A、灭火重于救人；
B、救物重于牧；
C、救人重于救火
26、被电击的人能否获救，关键在于（D）
A ：触电的方式 B ：人体电阻的大小
C ：触电电压的高低 D ：能否尽快脱离电源和施行紧急救护
3、下列（）灭火器最适合扑灭由钠或镁金属造成的火灾。（C）
A：二氧化碳 B：泡剂 C：特别成份粉剂灭火器
27、在风力发电机组登塔工作前（C），并把维护开关置于维护状态，将远控制屏蔽。
A、应巡视风电机组;B、应断开电源；
C、必须手动停机； D、不可停机。
28、液压站的储能装置是靠（B）
A、电磁阀不经常动作B、氮气瓶内的高压气体 C、自动加压装置
三、简答题（每题10分，共30分）
1、简述CCWE1500系列风力发电机组的组成部分。（10分）
答:
1、风轮(叶片和轮毂)
2、传动系统
3、偏航系统
4、变浆系统
5、液压制动系统
6、发电机
7、控制系统
8、塔筒
9、基础
10、机舱
2、什么是“四不伤害”原则？；什么是“四不放过”原则？（10分）
3、描述下图填写风机系统各部分名称并用序号标出
4、液压扳手的使用应注意哪些，对人员有哪些要求？（9分）
1、液压扳手的使用，应是考试合格后，熟悉高空作业，熟知安全法规的人员进行操作。
随着化石能源日益枯竭,全球环境持续恶化,风力发电以其独特的优势受到各国政府和研究人员密切关注。近年来,中小型自主发电得到国家相关政策大力支持并推广和应用[1]。其主要用于有风无电的偏僻地带以及部分企业的自备电厂,如偏远山区、边防哨所、孤岛,大型农、牧、渔业以及油田等。直驱型永磁风力发电机系统是近年来研究的热点,永磁同步发电机( PMSG) 以其控制精度好、效率高、维护少等诸多优点被用户广泛使用。
PSIM是用于电力电子和电机控制研究的仿真软件,主要特点有用户界面简单,学习易懂、操作方便以及仿真速度快、仿真波形清晰直观等。PSIM9. 0中有丰富的元件库,其中封装的风力机模块为本文风力发电系统的设计和分析提供了优越平台。尤其完成本文中小型风力发电系统仿真,PSIM9. 0中可以快速直观的搭建仿真系统模型,实现发电机转速和并网电压的准确控制。
1 永磁风力发电系统概述
永磁风力发电系统主要由风力机、PMSG、变流器以及控制系统四个模块组成,其基本结构如图1所示。PMSG系统省去了沉重的增速齿轮箱,提高了机组运行可靠 性和风能 利用效率。PMSG系统不从电网吸收无功功率,全功率变流器能够实现低压穿越功能,这为并网要求日益严格的风电提供了可靠保障。总之,直驱永磁风力发电系统具有以下显著特点[2]: ( 1) 发电机体积小且发电机重量较轻; ( 2) 电磁干扰小且电磁兼容性良好;( 3) 结构简单,可靠性好,使用寿命长; ( 4) 效率高,节能效率明显; ( 5) 恶劣环境下的适应能力强; ( 6) 电压波形质量好,能适应各种负载变化。
2 风力发电系统数学模型
2. 1 风力机的功率特性
风力机是整个风力发电系统能量转换的关键部分,其主要功能是将迎风能量截获并有效的转换为风力发电机的机械动能。
由流体力学知识可知,气流扫过风轮机时所产生的动能即是风力机的输入功率,其表达式为:
式中m为截获空气质量; S为风叶扫过面积; v为风速; ρ为空气密度。
根据Betz极限理论[3],风力机理论上能输出的最大功率为:
式中cpmax为风能最大转换系数,其值为0. 593。
风力机输出转矩公式为:
式中P为风力机输出功率; Cp为功率转换系数; ω为风力机叶片旋转角速度。
2. 2 永磁同步发电机模型
PMSG在运行过程中,转子和定子始终保持相对运动状态,绕组与绕组,永磁体与绕组之间互相影响,再加上磁路饱和等非线性因素,电磁关系十分复杂,要建立PMSG的精确数学模型相当困难。因此,为了分析方便,通常作如下假设: ( 1) 定子绕组为Y型连接; ( 2) 反电动势为正弦,不考虑空间谐波和磁路饱和的影响; ( 3) 不计涡流和磁滞损耗; ( 4) 励磁电流无动态响应过程。
PMSG的电压和电磁转矩在dq轴旋转坐标系下的数学关系式如下所示[4]:
电压方程:
磁链方程:
电磁转矩方程:
式中ψq和ψd分别为q轴和d轴磁链; Ld和Lq为两相定子绕组d轴和q轴自感; Rs为定子电阻; id和iq为d轴和q轴电枢电流; ωc为转子旋转角速度; p为微分算子符号; np为电机极对数; ψf是永磁体产生的磁链,ψf为常数。
3 控制策略及建模
背靠背双PWM全功率变流器由发电机侧变流器、直流环节和并网侧变流器三个部分组成。
3. 1 发电机侧控制策略及仿真模型
机侧变流控制的目的是在风速变化情况下,调节发电机转矩和转速,实现最大功率跟踪控制[5]。在旋转坐标下,由式( 6) 可知,当Ld= Lq时,转矩只与q轴电流有关,因此,转矩控制也就是控制电流。总之,机侧控制实质上是以电流控制为内环,速度控制为外环的双闭环控制。控制过程中,转矩和转速的大小取决于空间矢量电流,通过对id和iq的控制,使得实际id和iq跟踪控制信号i*d和i*q,便能实现控制的目标。在PSIM仿真环境下的仿真控制模型如图2所示。
3. 2 并网侧控制策略及仿真模型
网侧三相电压变流器实质上是整流器工作在逆变状态,通过对变流器的控制,使得直流母线电压稳定,网侧单位功率因数运行。传统中小型风力发电系统控制采用单电流控制方法,针对本方法的不足,本文采用 双闭环控 制的电压 定向矢量 控制方法[6,7]。电压定向矢量控制分为间接控制和直接控制法,本文采用动态性能更佳的直接电流控制方法,直接电流控制采用电流闭环控制,电流响应速度快,鲁棒性好[8]。控制时,外环电压信号受直流电压给定信号U*dc和反馈实际直流电压Udc影响,内环电流信号由网侧坐标变换后的电流控制。基于PSIM搭建的网侧控制仿真模型如图3所示。
4 仿真结果分析
为验证整个永磁风力发电系统的可行性,本文设计一个额定功率为3 k W的系统,系统主要参数如表1所示,整个仿真系统的模型在PSIM9. 0软件中搭建,仿真时间为0. 5 s。为验证系统在风速突变的时候系统能保持稳定运行,仿真时,风速从额定风速12 m / s突变到9 m / s,波形如图4所示。此时,实际的发电机转速和电磁转矩变化情况如图5所示,从图6可以看出,当系统运行在额定风速以下时,发电机输出功率保持最大功率输出。图7和图8中直流母线电压恒定,逆变器输出电压与并网电压同频同相,图9电流波形良好,说明电压矢量控制策略正确。图10表示并网参考电压。
从仿真结果可知,当风速发生改变时,发电机转速和转矩稳定,直流母线电压恒定为400 V,符合并网要求,说明系统控制策略合理,仿真结果准确。
5 结束语
一次部分：用于能量生产，传输，交换，分配，消耗的部分
二次部分：对一次部分进行检测，监视，控制和保护的部分
2.风电场和常规电厂的区别：单机容量小；电能生产比较分散，发电机数目多；输出的电压等级低；类型多样化；功率输出特性复杂；并网需要电力电子换流设备
3.风电厂电气一次系统组成：风电机组；集电系统；升压站；厂用电系统。
4．变压器铜损：铜导线存在着电阻，电流流过消耗一定功率，变为热量
变压器铁损：铁心中的磁滞损耗和涡流损耗
5.常用的开关电器：断路器（切断电路），隔离开关（在电气设备和熔断器间形成明显的电压断开点，运行方式改变时倒闸操作），熔断丝（有故障电流时断开电路），接触器（电路正常开合闸，无法断开故障电路）。
6.集肤效应：靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随电流频率升高，集肤效应使导体的电阻增大，电感减小！
7.电流互感器：串接一次系统，将大电流变为小电流
二次开路后果：出现的高压电危机人身及设备安全；铁心中产生大量剩磁；长时间作用铁心过热
8.电压互感器作用:并接一次系统，将高电压变成低电压
二次侧短路：引起很大短路电流，造成互感器烧毁
9.电气设备选择的技术条件：按照正常工作状态选择；按照短路状态校验；电气选择的环境因素；环境保护
10.电流继电器和电压继电器有何作用？他们如何接入电气一次系统?
电流继电器反应一次回路中的电流越限，用于二次系统的保护回路，用以启动时间继电器的动作或直接触发断路器分闸。
电流继电器用于继电保护装置中的过电压保护或欠电压闭锁
11.配电装置的最小净距：无论在正常最高工作电压或出现内，外部过电压时，都不至使空气间隙被击穿。
12.A,B,C,D,E类安全净距的具体含义
A1：带电部分至接地部分之间的最小安全净距
A2：不同相的带电导体之间
B1：带电部分至栅状遮栏间的距离和可移动设备在移动中至带电裸导体间的距离 B2：带电部分至网状遮栏
C：无遮拦裸导体至地面
D：停电检修的平行无遮栏
E：屋内配电装置通向屋外的出线套管中心线
12.雷电类型：直击雷；感应雷；球星雷。
13.雷电防护：避雷针，避雷线，避雷器，避雷带和避雷网，接地装置
14.风电场防雷性能衡量标准：耐雷水平，雷击跳闸率
【摘要】丹麦在风力发电领域占有领导地位目前丹麦有世界上最大的海上风电场。根据丹麦政府能源计划法案中的第21条，2030年以前海上风电装机将达到4吉瓦，加上陆地上的1.5吉瓦，丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，与此对照一下，年中，丹麦风电总装机容量仅为1.1吉瓦。
20世纪70年代石油危机以后，开始了风能利用的新时代。在一些地理位置不错的陆地上，风能的开发具有一定的经济价值，而人们在另外一个前沿，发现开发风力发电的经济性也相当不错：海上风能。世界上很多国家开始制定计划，考虑开发海上风电场。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。综合上述两个因素，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。
兆瓦级的风机，廉价的基础以及关于海上风条件的新知识更加提高了海上风电的经济性。研究人员和开发者们将向传统的发电技术进行挑战，海上风力发电迅速发展成为其它发电技术的竞争对手。
海上风电场的开发主要集中在欧洲和美国。大致可分为五个不同时期：
欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究(1977～1988年)；
・欧洲级海上风电场研究，并开始实施第一批示范计划(1990～19)；
・中型海上风电场(1991～年)；
・大型海上风电场并开发大型风力机(～)；
・大型风力机海上风电场(20以后)。
一、丹麦的风力发电
1.丹麦的第21条计划
丹麦在风力发电领域占有领导地位目前丹麦有世界上最大的海上风电场。根据丹麦政府能源计划法案中的第21条，2030年以前海上风电装机将达到4吉瓦，加上陆地上的1.5吉瓦，丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，与此对照一下，1998年年中，丹麦风电总装机容量仅为1.1吉瓦。
丹麦电力系统中共计5.5吉瓦的风电装机意味着风力发电将会阶段性过量地满足丹麦电力系统的需求。因而，在未来，丹麦的海上风力发电场将会成为以水电为基础的斯堪的纳维亚电力系统中不可分割的一部分。
丹麦计划法案对4吉瓦的海上风电投资共计480亿克郎(约合70亿美元)，这将成为世界上风电中最大的投资。
2.丹麦海上风力发电时间表
丹麦电力公司已经申请了750兆瓦海上风场的建设计划，根据时间表，在2027年之前，丹麦风电装机将达4吉瓦，第一阶段在建一个比哥本哈根海岸风电场稍小一点的40兆瓦海上风电场。
丹麦电力公司给环境和能源大臣的报告确定了丹麦海域四个适合建风电场的区域，其蕴藏量达8吉瓦。选择这些区域的理念很简单：出于对环境的考虑，委员会只对那些为数不多且偏远的水深在5～11米之间区域的容量关心。所选的这些地区必须在国家海洋公园、海运路线、微波通道、军事区域等之外，距离海岸线7到40千米，使岸上的视觉影响降到最低。最近，对风机基础深入的`研究表明，在15米水深处安装风机比较经济，这意味着丹麦海域选择的风电场潜藏容量达16吉瓦。
二、风机的海上基础
海上风能面临的问题主要是削减投资：海底电缆的使用和风机基础的构建使海上风能开发投资巨大。然而，风机基础技术，以及兆瓦级风机的新研究至少使水深在15米(50英尺)的浅水风场和陆地风场可以一争高下。总的说来，海上风机比邻近陆地风场风机的输出要高出50%，所以，海上风机更具吸引力。
1.较混凝土便宜的钢材
丹麦的两个电力集团公司和三个工程公司于～间首先开始对海上风机基础的设计和投资进行了研究，在报告中提出，对于较大海上风电场的风机基础，钢结构比混凝土结构更加适合。所有新技术的应用似乎至少在水深15米或更深的深度下才会带来经济效益。无论如何，在较深的水中建风场其边际成本要比先前预算的要少一点。
对于1.5兆瓦的风机，其风机基础和并网投资仅比丹麦Vindeby和Tunoe Knob海上风电场450～500千瓦风机相应的投资高出10%到20%，这就是以上所述的经济概念。
2.设计寿命
与大多数人们的认识相反，钢结构腐蚀并不是主要关注的问题。海上石油钻塔的经验表明阴极防腐措施可以有效防止钢结构的腐蚀。海上风机表面保护(涂颜料)一般都采取较陆地风机防腐保护级别高的防护措施。石油钻塔的基础一般能够维持50年，也就是其钢结构基础设计的寿命。
3.参考风机
在防腐研究中，采用了一台现代的1.5兆瓦三叶片上风向风机，其轮毂高度大约为55米(180英尺)，转子直径为64米(210英尺)。
这台风机的轮毂高度相比陆地风机要偏低一些。在德国北部，一台典型的1.5兆瓦风机轮毂高度大约为60～80米(200到260英尺)。
由于水面十分光滑，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而风切变(即风速随高度的变化)小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本。另外海上风的湍流强度低，海面与其上面的空气温度差比陆地表面与其上面的空气温差小，又没有复杂地形对气流的影响，作用在风电机组上的疲劳载荷减少，可延长使用寿命，所以使用较低的风塔比较合算。
4.海上基础类型
(1)常用的混凝土基础
丹麦的第一个引航工程采用混凝土引力沉箱基础。顾名思义，引力基础主要依靠地球引力使涡轮机保持在垂直的位置。
Vindeby和Tunoe Knob海上风电场基础就采用了这种传统技术。在这两个风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来，然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的重量，继而将其沉人海底，这个原理更像传统的桥梁建筑。
两个风场的基础呈圆锥形，可以起到拦截海上浮冰的作用。这项工作很有必要，因为在寒冷的冬天，在波罗的海和卡特加特海峡可以一览无遗地看到坚硬的冰块。
在混凝土基础技术中，整个基础的投资大约与水深的平方成比例。Vindeby和Tunoe Knob的水深变化范围在2.5～7.5米之间，说明每个混凝土基础的平均重量为1050吨。根据这个二次方规则，在水深10米以上的这些混凝土平台，因受其重量和投资的限制，混凝土基础往往被禁止采用。因此，为了突破这种投资障碍，有必要发展新的技术。
(2)重力+钢筋基础
现有的大多数海上风电场采用重力基础，新技术提供了一种类似于钢筋混凝土重力沉箱的方法。该方法用圆柱钢管取代钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。
(3)单桩基础
单桩是一种简单的结构，由一个直径在3.5米到4.5米之间的钢桩构成。钢桩安装在海床下10米到20米的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。这种基础一个重要的优点是不需整理海床。但是，它需要重型打桩设备，而且对于海床内有很多大漂石的位置采用这种基础类型不太适合。如果在打桩过程中遇到一块大漂石，一般可能在石头上钻孔，然后用爆破物将之炸开，继而打成小石头。
(4)三脚架基础
三脚架基础吸取了石油工业中的一些经验，采用了重量轻价格合算的三脚钢套管。
风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些框架分掉了塔架对于三个钢桩的压力。由于土壤条件和冰冻负荷，这三个钢桩被埋置于海床下10～20米的地方。
三、海上风电场的并网
1.电网
丹麦输电网1998年总发电量共计10吉瓦。在建或未建的海上风电场共计4.1吉瓦。丹麦西部和东部电网没有直接并网，而是采用AC(交流输电线)方式并入德国和瑞典的输电系统。其它风电场与瑞典、挪威和德国的联网方式采用直流方式。
海上风电场的并网本身并不是一个主要技术问题，该技术人所共知。但是为确保经济合理性，对偏远海上风电场的并网技术进行优化非常重要。
丹麦第一批商用海上风电场位于距离海岸15～40千米的海域，水深5～10或15米，风电场装机在120到150兆瓦之间。第一批风电场使用1.5兆瓦的风力发电机，该机型需在陆地上试运行5年。
2.敷设海底电缆
海上风电场通过敷设海底电缆与主电网并联，此种技术众所周知。为了减少由于捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起来。如果底部条件允许的话，用水冲海床(使用高压喷水)，然后使电缆置人海床而不是将电缆掘进或投入海床，这样做是最经济的。
3.电压
丹麦规划的120-150兆瓦的大风电场可能与30～33千伏的电压等级相联。每个风电场中，会有一个30～150千伏变电站的平台和许多维修设备。与大陆的联结采用150千伏电压等级。
4.无功功率，高压直流输电
无功功率和交流电相位改变相关，相位的改变使能量通过电网传输更加困难。海底电缆有一个大电容，它有助于为风电场提供无功功率。这种在系统中建立可能是最佳的可变无功功率补偿方式决定于准确的电网配置。如果风电场距离主电网很远，高压直流输电(HVDC)联网也是一个可取的方法。
5.远程监控
显然，海上风电场远程监控要比陆地远程监控更重要一些，Tunoe Knob和Vindeby海上风电场采用远程监控已达数年。
人们预测这些风电场用1.5兆瓦的大机组，在每件设备上安装一些特别的传感器，以用来连续地分析传感器在设备磨损后改变工作模式而产生的细微振动，这样可能会带来一定的经济效益。同样地，为了确保机器得到适当的检修，工业中一些产业也需要对这项技术非常了解。
6.定期检修
在天气条件比较恶劣的情况下，维修人员很难接近风机，风机得不到正常检修和维护，造成安全隐患。所以，确保海上风机高可靠性显得尤其重要。对于一些偏远的海上风电场，应合理设计风机的定期检修程序。
四、前景
海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风电机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150兆瓦海上风电场用的海底电缆与100兆瓦的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150兆瓦。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其它14%。
丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用IEA(国际能源局)标准方法，目前的技术水平和设计寿命，估测的发电成本是每千瓦时0.36丹麦克朗(0.05美元或人民币0.42元)。如果寿命按25年计，还可减少9%。
欧洲一些国家都为海上风电场的发展进行了规划。从长远看，荷兰的目标是到风电装机2.75吉瓦，其中1.25吉瓦安装在北海大陆架区域。近期计划主要是建设商业性示范工程，在年前丹麦拟开工兴建5个海上风电场，每个规模约150兆瓦，加上其它已建项目累计约750兆瓦。荷兰计划先建100兆瓦的示范项目，选在Egmond ann Zee岸外12海里处，采用1.5兆瓦或2.0兆瓦的机组。德国的计划包括“SKY”项目，规模100兆瓦，距离Lubeck湾15千米的波罗的海中；400兆瓦项目在距离Helgloand岛17千米的北海，最终规模将达到1.2吉瓦，采用单机容量4兆瓦或5兆瓦机组。此外，爱尔兰和比利时分别有250兆瓦和150兆瓦的海上风电场计划。
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