1. 研究目的与意义
风力发电机产生于19世纪晚期，然而直到20世纪80年代，风电技术才相对成熟。过去的20多年中，风电技术得到了快速发展，风电转化效率不断提高、风电机组生产成本不断降低，单台风电机组容量已经从几千瓦增加到几兆瓦。与此同时，风电产业也不断壮大，全球的发电装机容量逐年攀升，该能源利用在方式已具备大规模开发的应用条件。过去的二十多年中，全球风电的装机容量持续增长，据统计，从2001年的24.322GW到2011 年内的239GW，全球风电装机容量年平均增长率超过了20%，该趋势预计在未来数年内仍将保持。其中累计和当年新增风电装机容量排名前10名的国家分别是中国、美国、德国、西班牙、印度、法国、意大利、英国、加拿大、葡萄牙等。可以看出欧洲整体风电装机容量一直保持着领先，但是中国、美国、印度今年风电装机容量的增长也是十分迅速的，已经达到世界领先的水平。尽管风电装机容量在逐年增长，风电在总发电量中所占比例仍然较低。例如，2010 年，美国风电仅能满足其电力总需要量的2.3%，欧洲国家的比例相对较高，德国为6%~7%，西班牙为16%，丹麦则超过了20%。我国在全球风电产业中占有重要的地位，截止到2011年我国新增风电装机容量为17.6GW，年增长率为39.4%，总风电装机容量达到62.4GW，超过全球风电装机容量的四分之一。2006~2011 年，我国各行政区域累计风电装机容量已经统计出来了，由于风力资源相对集中，我国新增风电装机容量主要分布在华北、西北和东北地区，尽管全国总发电量中风电所占比例并不高，但从区域电网规模来看，风电的局部比例已较为可观。目前，我国东北电网风电利用水平已与德国相当，为6%~7%；蒙东电网风电利用水平与丹麦相当，超过20%，已达到世界较高水平。风电产业的发展离不开各国政府相关激励政策的推动。其中，美国通过一系列经济刺激法案，如《美国复兴与再投资法案》，提出多项在经济低迷时期刺激风发展的措施；德国通过《可再生能源法》确立固定的上网电价，以促进风电行业快速健康发展，并在《联邦建筑法案》中要求地方政府为风电场提供选址优先权；西班牙则在固定电价机制的基础上，提出市场电价结合政府补贴的方式以鼓励发展风电。同样的，我国自2006 年以来为促进风电产业发展也不遗余力地出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源发展“十一五”规划》和《关于完善风力发电上网电价政策的通知》等，建立了风力发电的上网及收购制度、分类电价及相关补贴制度、费用分摊制度、配额制和专项资金制度等一系列政策条款，以鼓励和规范风电产业的发展。与政策鼓励相对应，全球近百个国家确定了未来的发电发展目标，例如，2009 年欧盟正式通过可再生能源法令，为所有成员国设定了各自发展可再生能源的目标；2010 年欧盟各呈圆或陆续发布各国的可再生能源行动计划，并详细列出其到2020 年之前逐步增加可再生能源利用比重的具体措施。预计2015 年世界新能源发电量的结构中，风电发电量将占56.2%。我国提出建立八千万千瓦级风电基地的规划，分别在新疆、甘肃、内蒙古、河北、山东和江苏。预计到2015 年，累计风电装机容量达到1 亿kW，风电上网电量约3000 亿kw#8226;h。按照2011 年10 月国家发改委能源研究院发布的《中国风电发展路线图2050》所设想，到2050 年我国风电装机容量将到达10 亿kW，满足国内17%的电力需求。如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。所以，世界各地都在关注可再生能源，而风电有许多优点，所以，利用可再生能源已成为各国的重点发展方向。我国的风能资源并不匮乏，所以开发潜力很大。我国的风力发电产业和控制技术的发展很快，因而，通过分析现阶段我国风力发电的情况和控制技术水平的发展情况，为实现可持续发展战略提供一些有价值的信息。我国风力发电的发展在技术方面上分为三步，一是引进新技术，二是把技术消化吸收三是进行自主创新。现如今，在这方面我国以快速发展起来。例如，我国的风力制造业不断提升。还有随着国内5MW 容量等级风电产品的不断改进，我国的兆瓦级机组在风力发电市场被大量使用。虽然我国的风力发电机组制造业和配置零组件的发展足以满足所需，但是一些高级配置仍然需要从国外进口。所以，培养自主创新能力和不断探索新技术迫在眉睫。随着社会经济的发展，新能源和可再生能源的利用越来越受到重视，其中风力发电更是得到了广泛应用，而调速和调向控制是风力发电中的关键所在。本课题研究的风力发电调速调向控制系统主要通过风力传感器以及电力传感器检测外部环境和发电状态实现风力发电的持续性和最大化，提升风力发电的最大效率。课题的研究主要从社会的实际需求和实施的可行性来进行设计，具有一定的社会经济价值。
2. 研究内容与预期目标
研究内容：设计一个风力发电调速调向控制系统，实现风力发电机在不同风力环境下速度和朝向的自动调整控制；该系统应包括：环境状态检定单元、单片机匹配控制单元、执行单元、LCD或者数码显示单元；完成的功能：风速、风向、电压、电流等数据采集、显示、运算处理、按需要控制输出量；电路原理图和硬件电路图设计；软件编程及功能调试。在单片机所应用的小型风力发电系统中，需要解决的问题还有很多.比如风向和风速是描述风能特性的两个主要参数，同时也是直接影响风力发电机发电效率的两个重要外部因素.在利用单片机驱动步进电机、利用单片机研制偏航系统的驱动电路的设计中要考虑到风速风向，每一项都是不可缺少的重要组成部分. 在设计51 单片机驱动步进电机的系统时，要设定步进电机的运行方向和速度，以及变向变速的控制，并且需要将这些参数和相应的控制程序烧录到单片机中.将单片机控制信号和按钮通过驱动电路输入到步进电机中来控制其速度和方向。预期目标：（1）根据风向信号自动对风。（2）测出风速、风向。（3）测出发电机发电的转速、电压、电流。（4）测出环境温度，过高时启动风扇降温。（5）LCD显示出各项数据（6）恒定功率输出，并且可以调整设置值。（7）电路原理图绘制和硬件电路图设计（8）软件编程及功能调试
3. 研究方法与步骤
风力发电调速调向系统硬件设计如下图1所示，当单片机启动之后，风速模块、风向模块和温度模块开始检测，然后通过数模转换装置,将模拟量转换成数字量而电压模块、电流模块和转速模块直接产生数字量传输给微处理器，通过编译的算法将8位二进制数转化成可以读取的风速、风向、电流和电压等信息，再通过一系列指令之后，结果将显示在LCD液晶显示模块上，当温度过高时就会启动报警单元。
风力发电调速调向系统软件设计如下图2所示，上电初始化微处理器之后，风速风向传感器开始检测相关信号并实时传送给单片机，并在液晶显示屏上实时显示当前的风速、风向、电压、电流、转速和温度，同时单片机通过和预设的值进行比较来判断是否需调节风轮，是否需要改变转速，如果达标就继续监测，未达标就通过调节偏航电机自动对风，通过变桨距驱动控制来改变转速。另外温度过高时，就会报警并启动风扇降温。
步骤：（1）查资料了解风力发电调速调向的原理（2）明确设计目标，检查系统能否完成预期目标，作出相应的改进,并对所需的元器件进行选型（3）运用仿真软件进行仿真（4）实现软硬件系统的设计（5）归纳系统的不足之处，并提出解决方案
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4. 参考文献
[1] 单片机原理及应用[M]，张洪润，孙悦等著.清华大学出版社.2008[2] 系统建模与仿真[M]，张晓华主编. 清华大学出版社.2006[3] 风力发电技术[M]，孙毅编著.中南大学出版社.2016[4] 单片机应用的系统设计与产品开发[M]，冯建华等著.人民邮电出版社.2004[5] 电机运动控制系统[M]，洪乃刚编著.机械工业出版社.2015[6] 传感器技术与系统[M]，李川等主编.科学出版社.2016[7] 风力发电接入电网及运行技术[M]，中国电力科学研究院新能源研究中心编.中国电力出版社.2017[8] 风力发电[M]，王承煦 张源著.中国电力出版社.2002[9] 风力发电中的电力电子变流技术[M]，李建林 许洪华等编著.机械工业出版社.2009[10] 风力发电原理与技术[M]，韩巧丽 马广兴编著.中国轻工业出版社.2007[11] 传感器及其应用技术[M]，黄鸿 吴石增等编著.北京理工大学出版社.2002[12]AdvancedWindEnergySystems.[M]Workshop Proceedings, Stockholm, August, 1974. Vol II[13] Abbey C, Joos G. Effect of low voltage ride through characteristic on voltage stability .2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting[C]. San Francisco, CA, USA, 2005.
5. 工作计划
（1）2022.2.20—2022.3.19查阅资料，撰写开题报告；（2）2022.3.20—2022.4.9 硬件功能分析，熟悉MCS-51系统指令及编程语言；（3）2022.4.10—2022.4.23设计电路原理图、编制应用程序；（4）2022.4.24—2022.5.21系统调试及改进；（5）2022.5.22—2022.6.4 整理设计文档，撰写毕业论文；（6）2022.6.5—2022.6.11 提交毕业论文，准备毕业答辩。
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