风力发电机控制系统风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。

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、Gem sa、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库的调用，这对于风电这一集合了变桨运动控制、安全逻辑设计、液压控制的综合系统来说是再好不过的选择.变桨控制将考虑多个伺服的定位和同步关系，而safety为机组提供了多种安全回路设计以保护机组的安全可靠运行，液压控制被极其容易的集成到系统中而无需购置专用的液压控制模块。

同时，PCC支持用户自定义库的封装设计，用户可以将其自身的核心算法封装为功能块来调用，这使得一方面代码的安全性得到了很好的保证，而另一方面，它也提供了针对不同机组的系统调用，大大简化了软件的重构，支持快速开发。

2.1.3All In One的设计理念- Automation Studio™Automation Studio™设计初衷是建立在一种放眼整机控制而不是局部（只关心驱动或者逻辑，独立组件），30年的丰富OEM控制设计使得B&R深刻理解“整体”的意义，因此，其软件包设计为面向整个机器的各个对象（逻辑、运动、测量、通信、显示）和过程（配置、项目规划与管理、诊断、调试、维护）。

对于B&R Automation Studio而言，控制器的设计、变桨伺服、液压控制、Safety技术、通信均在一个”All In One”的工具包Automation Stduio中实现，对于风力发电这样的综合多种控制需求的系统而言，Automation Studio提供了一个完整的工程设计与应用的平台，它使得代码生成、仿真分析、远程诊断与维护集成为一体，难道还有什么需要不能满足吗？抛开技术的因素，对于用户而言，一套软件即可实现所有的应用需求，这降低工程师的学习成本，也作为一个平台，为用户提供了长期持续创新的软件平台基础。

风力利用史：人类对风能的利用已有几千年的历史，最初主要是利用风力提水灌溉，及海水晒盐和风力驱动的磨坊。

这在当时是人类利用自然界的力量，利用风力和水力代替人力和畜力来驱动工作机械，提高了生产力。

至于人类利用风能来驱动船只航行，则可追溯到更久远的年代。

国内小型风力发电机概况：我国较大规模地开发和应用风力发电机，特别是小型风力发电机，始于７０年代，当时研制的风力提水机用于提水灌溉和沿海地区的盐场，研制的较大功率的风力发电机应用于浙江和福建沿海，特别是在内蒙古地区由于得到了政府的支持和适应了当地自然资源和当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展。

对于解决边远地区居住分散的农牧民群众的生活用电和部分生产用电起了很大作用。

近年来，随着世界范围内对环境保护、全球温室效应的重视，各国都竞相发展包括风能在内的可再生能源的利用技术，将风能作为可持续发展的能源政策中的一种选择，不论对并网型的大型风力发电机和适用于边远地区农牧户的离网型小型风力发电机都给予了很大的政策支持。

我国目前已有安装并网的风力机的风力田24 处，总装机容量26.8万千瓦。

小型风力机的保有量超过14万台，使我国成为世界上小型风力发电机保有量最多的国家。

小型风力发电机组的组成：小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等，控制器、蓄电池、逆变器等。

①风轮：小型风力机的风轮大多用2－3个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。

目前风轮叶片的材质主要有两种。

一种是玻璃钢材料，一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制，在内腔填加一些填充材料，手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时，产品质量不易控制。

国外小风机也采用机械化生产等截面叶片，大大提高了叶片生产的效率和产品质量。

②发电机：小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机，由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。

③调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。

同时随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏，另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。

由于小型风力机的结构比较简单，目前一般采用叶轮侧偏式调速方式，这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动，从而引起风力机的振动。

因此，在风速较大时，特别是蓄电池已经充满的情况，应人工控制风力机停机。

在有的小型风力机中设计有手动刹车机构，另外在实践可采用侧偏停机方式，即在尾翼上固定一软绳，当需要停机时，拉动尾翼，使风轮侧向于风向，从而达到停车的目的。

诚远风力发电最新研制出世界最小型风力发电机，其体积与600ML百事可乐瓶子一般大，重量仅为两公斤，而功率却达到了100w，绝无仅有，堪称世界之最小型风力发电的市场潜力巨大进入2008年下半年以来，受国际宏观形势影响，中国经济发展速度趋缓。

为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。

作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇。

为全面推动经济社会发展，部分仍存在缺点、无电居民的地区加快小型风电发展步伐，加大了解决边远地区群众供电难问题的投资力度，有力推动了小型风电的进一步推广。

中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持快速发展。

随着中国风电设备的国产化，风光互补系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本可望再降，经济效益和社会效益提升，小型风力发电市场潜力巨大。

小型风电机组相关设备制造、小型风电技术研发、风电路灯等领域成为投资热点，市场前景看好。

1.课题提出的背景经济发展推动能源需求的持续增长，要求不断开发新的能源。

人类日益增长的环境保护意识和提高生活质量的需求，要求减少化石能源对环境的污染，优先发展清洁能源。

我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸解决供电问题非常困难，而这些地区风力资源往往又比较丰富。

充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善当地人民的生活水平，发展地方经济非常重要。

风能具有随机性和不确定性，风力发电系统是一个复杂系统。

简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。

2.小型风力发电系统最大功率控制的扰动法本文给出由定浆距风力机、永磁同步发电机、不控桥式整流电路、boost斩波器、蓄电池、逆变器等组成的小型风力发电系统结构。

风力机直接耦合永磁同步发电机, 二极管整流桥路将永磁同步发电机发出的交流电整流后由电容滤波,变换成脉动的直流电，斩波器将脉动的直流电变换成恒压输出的直流电。

在充电控制电路的作用下，斩波器输出的电流对蓄电池充电，直至使蓄电池充电到额定容量，同时斩波器对逆变器供电。

在发电机发出的电不足时，蓄电池向逆变器放电，来补充电力。

逆变器将直流电变换成额定频率的交流电直接供给用电负载或送给电网。

由于风能是一种具有随机性、爆发性、能量密度低、不稳定性特征的能源，风速的变化会引起风力机转速的变化。

用于风能捕获的风力机在不同风速下有一个最佳运行转速,此时对风能的捕获效率最高，为了优化系统功率输出,风力发电机组需作变速恒频运行。

在直接控制负载功率方法实现最大功率输出中，风力机与发电机输出特性相互匹配是提高风力发电系统转换效率的必要条件。

本文提出实现最大功率控制的小信号扰动法。

利用小信号扰动法可以实现系统平均功率达到最大值，而且方法简单，易于实现。

3.小型风力发电系统状态平均建模与分析小型风力发电系统包含开关组件，文中利用状态平均建模方法对小型风力发电系统建模，对得到的非线性模型进行线性化，理论分析线性化后系统的静特性和频率特性，通过对系统频率特性的分析，给出了扰动信号幅值和频率的选取原则。

4.小型风力发电系统扰动法的仿真研究基于MATLAB/SIMULINK环境建立系统仿真模型，并进行了仿真研究，重点考察最大功率控制策略及参数对控制性能的影响，仿真结果验证了最大功率控制策略及分析方法的正确性和可行性，同时讨论了积分系数k对系统的影响。

本文的工作为最大功率控制扰动法在小型风力发电系统中的应用提供了理论依据,具有重要参考价值。

风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。

因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。

目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。