風(fēng)力發(fā)電機(jī)論文

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒 論 1 1.1開發(fā)利用風(fēng)能的動因 1 1.1.1 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力 1 1.1.2環(huán)境驅(qū)動力 2 1.1.3社會驅(qū)動力 2 1.1.4技術(shù)驅(qū)動力 2 1.2風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 2 1.2.1世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 2 1.2.2 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀”】 3 1.3 風(fēng)力發(fā)電展望 3第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 5 2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)“ 5 2.1.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 5 2.1.2變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 6 2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計 。9 2.2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點 9 2.2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 9 2.2.3變速恒

2、頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行控制的總體方案 一19第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計 25 3.1概述11】 25 3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī) 25 3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 一25 3.2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理 一26 3.3三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計 一27 3.3.1 三相異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計的特點 27 3.3.2三相異步發(fā)電機(jī)和三相異步電動機(jī)的差異2 ，27 3.3.3三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計方案 一28 3.3.4三相異步發(fā)電機(jī)電磁計算程序 一29結(jié)束語 40參考文獻(xiàn) 41致 謝 42d O C 戶 豆丁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究摘要：本文對國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行

3、了概述。指出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢和研究方向。闡述了三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理。重點講述了三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計方法，并列出了具體的電磁設(shè)計過程。本課題所研究的異步發(fā)電機(jī)，是目前最理想的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，前景非常樂觀重點介紹了目前風(fēng)電場中所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)及恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三種典型控制策略的理論依據(jù)技術(shù)路線。設(shè)計了一個變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本設(shè)計方案程序簡單、結(jié)構(gòu)清楚、數(shù)據(jù)精確，設(shè)計過程追求提高效率，兼顧簡化工藝，降低成本等特點。關(guān)鍵詞： 新能源；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究The design of win

4、d power generator and the research of wind power systemABSTRACT: A brief summarization of development on wind turbine generators both inChina and in the world is given in this paper. Some development and study tends arepresented. Introduce the structure and principle of three-phase asynchronous mach

5、ines.Elaborated the methods ofthree-phase asynchronous machines electromagnetic design, liststhe details about the process of electromagnetic design. This lesson a study the three-phaseasynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topicsmentioned here are about wind tu

6、rbine, power regulation ofwind turbine and inductiongenerator in wind farms with electrical power system. This paper introduces three types ofrepresentative controlling strategies and technical basis and route in major wind turbinegenerator with plane shaft. Designed a system ofgearshifi invariable

7、frequency wind power.This design project procedure is simple, the structure is clear, the data precision, design theprocess in addition to pursuing to lift high-efficiencily, look after both sides to simplify thecraft, decline low cost etc.Key words: New energy resource; Wind turbine generator; Vari

8、ety invariable frequencyII風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 1章 論1.1 開發(fā)利用風(fēng)能的動因 風(fēng)能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風(fēng)能的動因也在變化。下面將主要從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會和技術(shù)進(jìn)步四方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動因。1.1.1 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力1.1,1.1經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化 能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力供應(yīng)困難。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴汽油機(jī)發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本約2元/KW左右。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶

9、承擔(dān)的成本高于8元/KW。在這些地區(qū)，利用汽油柴油發(fā)電機(jī)的供電，考慮油料的運輸成本，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本也要高于6元/KW。化石能源資源枯竭與供應(yīng)安全5】 進(jìn)入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機(jī)。人們開始認(rèn)識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計今后25年中平均年消耗量將達(dá)50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過2000億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)務(wù)之急是尋找和研究利用其他可再生資源。風(fēng)能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們

10、的矚目。 一些國家要靠進(jìn)口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。風(fēng)能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強(qiáng)本國的能源供應(yīng)安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進(jìn)入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟(jì)的一種新的經(jīng)濟(jì)增長點。一個國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究1.1.2環(huán)境驅(qū)動力 除了人們早先認(rèn)識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認(rèn)識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放

11、對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導(dǎo)致自然災(zāi)害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應(yīng)更加明顯，各國都認(rèn)識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過京都議定書，要求工業(yè)發(fā)達(dá)國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。1.1.3社會驅(qū)動力 風(fēng)能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機(jī)會。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機(jī)工程中創(chuàng)

12、造就業(yè)之外，在設(shè)備維護(hù)方面也會提供就業(yè)機(jī)會。 另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關(guān)注風(fēng)能的發(fā)展，并將利用風(fēng)能和其他可再生能源當(dāng)成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例予，人們自愿以高于化石電力的價格購買風(fēng)電和其他可再生能源電力。1.1.4技術(shù)驅(qū)動力 隨著科技的進(jìn)步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機(jī)設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動控制技術(shù)的不斷改進(jìn)，機(jī)械、電氣、電子元件制造技術(shù)的成熟，為風(fēng)電技術(shù)向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。1.2風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀1.2.1 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 20世紀(jì)8

13、0年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制取得了巨大進(jìn)展。1987年美國研制出單機(jī)容量為3.2MW的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機(jī)容量為4.OMW的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于魁北克省的凱普一柴特。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，單機(jī)容量在100KW以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，單機(jī)容量為100200KW的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場中成為主導(dǎo)機(jī)型。同時單機(jī)容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場中成功運行。 世界風(fēng)電總裝機(jī)容量1997年底為746萬KW，1998

14、年底為1015萬KW，1999年底風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究為1393萬KW，2000年達(dá)1845萬KW，2001年達(dá)2493萬KW，2002年達(dá)3112KW，平均年增長率在30%以上。歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)計，全世界到2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將超過1億KW，占?xì)W洲總發(fā)電量的20%以上。世界能源委員會預(yù)計，全世界到2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)1.8億4.7億KW。1.2.2 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀13 中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW以下獨力運行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二是100KW以上并網(wǎng)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 20世紀(jì)80年代中期，中國開

15、始規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)。1983年在山東榮城引進(jìn)3臺丹麥55KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開始并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的試驗和示范。1986年在新疆達(dá)坂城安裝了1臺100KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，1989年又安裝了13臺150KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機(jī)組，開始了中國風(fēng)電場運行的試驗和示范。特別近年來，中國的風(fēng)力風(fēng)電場建設(shè)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，到2001年底，中國共建有27座風(fēng)電場，裝機(jī)812臺，總?cè)萘?9.98985方KW。目前正處于前期工作階段和正在建設(shè)的風(fēng)電場以遍及10多個省、市和自治區(qū)。1.3 風(fēng)力發(fā)電展望 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷

16、增大上。目前主流發(fā)電機(jī)組的功率，以上升到600750KW，MW級的機(jī)組也成批生產(chǎn)，24MW級的機(jī)組已在實驗生產(chǎn)。這就必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為2MW的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。目前最長的葉片以做到50m。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉是根據(jù)直升飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計的，而風(fēng)力機(jī)的槳葉運行在與直升飛機(jī)很不同的空氣動力環(huán)境中。對葉型的進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大2

17、0%。目前，丹麥、美國、德國等風(fēng)電科技較發(fā)達(dá)的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)條件致力與新葉型的從理論到應(yīng)用的研究開發(fā)。 在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風(fēng)能。地處平坦地帶的風(fēng)力機(jī)。在50m高處捕提的風(fēng)能要比30m高處多20%。 尤其值得注意的是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。由于他

18、被設(shè)計成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風(fēng)能的效率，試驗表明，在平均風(fēng)速6.7m/s時，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要比恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多捕獲15%的風(fēng)能，同時每由于機(jī)艙重量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)減輕，塔架等基礎(chǔ)費用也可降低。其運行維護(hù)費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。14 風(fēng)力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向?qū)⒓性冢禾岣邫C(jī)群安裝場地選擇的準(zhǔn)確性；進(jìn)機(jī)群布局的合理性：提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制；進(jìn)一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本；總裝機(jī)容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電場將占據(jù)主導(dǎo)地位，風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量將主要是百千瓦以

19、上至兆瓦級的。 此外，發(fā)展海上風(fēng)電場也成為新的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域而受到重視。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在規(guī)劃較大的海上風(fēng)電場項目，這是由于海上風(fēng)速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風(fēng)電場平均設(shè)備利用為2000h，好的為2600h，而在海上則可達(dá)3000h以上。為便于浮吊的施工，海上風(fēng)電場一般建在水深為38m處，因而同容量裝機(jī)要比陸上成本增加60%(海上基礎(chǔ)占23%，線路占20%，陸上僅占5%)左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電的重要部分，它不僅直接影響轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且

20、也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。在考慮發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點解決以下問題： 1)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。 2).高效率的實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本。 3)穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。 目前得到廣泛應(yīng)用的主要有恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。下面分別作一概要介紹。2.1.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單。所采用

21、的發(fā)動機(jī)主要有兩種，即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。前者運行于由電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。 風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機(jī)絕大部分是三相同步電機(jī)。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線，其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。因為三相電機(jī)比起相同額定功率的單相電機(jī)來，一般體積較小、效率較高、而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下才了考慮采用單相發(fā)電機(jī)。 同步發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負(fù)載提供無功功率，一臺額定容量125KVA、功率因數(shù)為0.8的同步發(fā)電機(jī)可以在提供100KW額定有功功率的同時，向電網(wǎng)提供，+75K

22、W和-75KW之間的任何無功功率值。它不僅可以并網(wǎng)運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負(fù)載的需要。 同步發(fā)電機(jī)的缺點是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本相對于感應(yīng)發(fā)電機(jī)也比較高。 感應(yīng)發(fā)電機(jī)也稱為異步發(fā)電機(jī)，有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統(tǒng)中，一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究采用鼠籠型異步發(fā)電機(jī)。它的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)相同。轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導(dǎo)條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導(dǎo)條短接。轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結(jié)構(gòu)簡單、堅固，基本上無需維護(hù)。6 感應(yīng)發(fā)電機(jī)也可以有兩種運行方式，即并網(wǎng)運行和單獨運行。在并

23、網(wǎng)運行時，感應(yīng)發(fā)電機(jī)一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。在單獨運行時，感應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓的建立需要有一個自勵過程。自勵的條件，一個是電機(jī)本身存在一定的剩磁；另一個是在發(fā)電機(jī)的定子輸出端與負(fù)載并聯(lián)一組適當(dāng)容量的電容器，使發(fā)電機(jī)的磁化曲線與電容特性曲線交于正常的運行點，產(chǎn)生所需的額定電壓。2.1.2變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于風(fēng)輪以變速運行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多優(yōu)越性

24、。利用電力電子學(xué)是實現(xiàn)變速運行最佳的最好方法之一雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組受到很多國家的重視。 變速運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類，下面分別作一概要介紹。 不連續(xù)變速系統(tǒng) 一般來說，利用不連續(xù)變速發(fā)電機(jī)可以獲得連續(xù)變速運行的某些好處，但不是全部好處。主要效果是比以單一轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)運行于最佳葉尖速比附近。但它對風(fēng)速的快速變化實際上只是一臺單速風(fēng)力機(jī)，因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風(fēng)能。更重要的

25、是，它不能利用轉(zhuǎn)子的慣性來吸收峰值轉(zhuǎn)矩，所以這種方法不能改善風(fēng)力機(jī)的疲勞壽命。下面介紹不連續(xù)變速運行方式常用的幾種方法。 1采用多臺不同轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī) 通常是采用兩臺轉(zhuǎn)速、功率不同的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，在某一時間內(nèi)只有一臺被聯(lián)到電網(wǎng)，傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計使發(fā)動機(jī)在兩章風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下運行在稍貴有各自的頭部轉(zhuǎn)速。 2雙繞組雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī) 這種電機(jī)有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內(nèi)，在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作，轉(zhuǎn)子仍是通常的鼠籠型。電機(jī)有兩種轉(zhuǎn)速，分別決定子兩個繞組的極數(shù)。比起風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究單速機(jī)來，這種發(fā)動機(jī)要重一些，效率也稍低一些，因為總有一個繞組未被利用，導(dǎo)致?lián)p耗相對增大。它的價格當(dāng)

26、然也比通常的單速電機(jī)貴。 3雙速極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機(jī) 這種感應(yīng)發(fā)電機(jī)只有一個定子繞組，轉(zhuǎn)子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設(shè)計不同于普通單速發(fā)動機(jī)。它的每相繞組由匝數(shù)相同的兩部分組成，對于一種轉(zhuǎn)速是并聯(lián)，對于另一種轉(zhuǎn)速是串聯(lián)，從而使磁場在兩種情況下有不同的極數(shù)，導(dǎo)致兩種不同的運行速度。這種電機(jī)定子繞組有六個接線端子，通過開關(guān)控制不同的接法，即可得到不同的轉(zhuǎn)速。 雙速單繞組極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以得到與雙繞組雙速發(fā)電機(jī)極不相同的性能，但重量輕、體積小，因而造價也較低，它的效率與單速發(fā)動機(jī)大致相同。缺點是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場不是理想正弦形，因此產(chǎn)生的電流中有不需要的諧波分量。連續(xù)變速系統(tǒng) 連續(xù)變

27、速系統(tǒng)可以通過多種方法來得到，包括機(jī)械方法、電機(jī)械方法、電氣方法及電子學(xué)方法等。機(jī)械方法如采用變速比液壓傳動或可變傳動比機(jī)械傳動，電機(jī)械方法如采用定子可旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電氣式變速系統(tǒng)如采用高滑差感應(yīng)發(fā)電機(jī)或雙定子感應(yīng)發(fā)電機(jī)等。這些方法雖然可以得到連繽的變速運行，但都存在這樣或那樣的缺點和問題，在實際應(yīng)用中難以推廣。目前看來最有前景的當(dāng)屬電力電子學(xué)方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。發(fā)電機(jī)可以是市場上已有的通常電機(jī)如同步發(fā)電機(jī)、鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)、繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)等，也有近來研制的新型發(fā)電機(jī)如磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)等；電力電子變換裝置有交流直流交流變換器和

28、交流交流變換器等。下面結(jié)合發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置介紹三種連續(xù)變速的發(fā)電系統(tǒng)。【9】 1同步發(fā)電機(jī)交流直流交流系統(tǒng) 其中同步發(fā)電機(jī)可隨風(fēng)輪變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率，電壓可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁電流來進(jìn)行控制。發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器整流成直流電再通過線路換向的逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。 2磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 采用的發(fā)電機(jī)為磁場調(diào)制型發(fā)電機(jī)，磁場調(diào)制型變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的三相高頻交流發(fā)電機(jī)和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻f，用頻率為fm(一般是工頻50Hz)的低頻交流電勵磁，則三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為fr+fm和f

29、r - fm的兩個分量組成的調(diào)幅波。通過并聯(lián)橋式墼流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究率為fm的恒頻正弦波輸出。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機(jī)，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。 由上述可以看出磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當(dāng)簡單，運行非?？煽?。它的另一個優(yōu)點是可以使風(fēng)力機(jī)在

30、很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，只需采取適當(dāng)?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。 它的缺點是若想得到三相輸出，則必須采用三套磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，且各套發(fā)電機(jī)系統(tǒng)間應(yīng)保持某一合適的相位差，這就提高了整個系統(tǒng)的成本。磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，故系統(tǒng)需要速比較大的增速器，也提商了系統(tǒng)的成本。另外，因其電力電子變換裝置處在主電路中

31、，因而容量要大，提高了成本。 3雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)類似繞組型感應(yīng)電機(jī)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺頻率、電壓可調(diào)的低頻電源（一般采用交交循環(huán)變流器）供給三相低頻勵磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度ni與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速n2相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n3。從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。當(dāng)風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)速112隨之而變化。在112變化時，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度ni，以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。 系統(tǒng)中所采用的循環(huán)變流器是將一種頻率變換成另一種較低頻率的電力變換裝置，半

32、導(dǎo)體開關(guān)器件采用線路換向，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一。由于變換裝置處在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路（勵磁回路），其容量一般不超過發(fā)電機(jī)額定功率的30%。這種系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)可以超同步運行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，ni為負(fù)），也可以次同步速運行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，1為正）。在前一種情況T，除了定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網(wǎng)饋送電力的同時，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 上述系統(tǒng)由于發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的繞線式感應(yīng)電機(jī)類似，一般具有電刷和滑環(huán)，需要一定的維護(hù)和檢修。目

33、前正在研究一種新型的無刷雙饋發(fā)電機(jī)，它采用雙級定子和嵌套偶合的籠型轉(zhuǎn)子。這種電機(jī)轉(zhuǎn)子類似鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子類似單繞組雙速感應(yīng)電機(jī)的定子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網(wǎng)相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網(wǎng)相聯(lián)。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網(wǎng)頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當(dāng)于轉(zhuǎn)差頻率，必須通過電力變換裝置（交交循環(huán)變流器）變換成與電網(wǎng)相同的頻率和電壓后再聯(lián)入電網(wǎng)。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)除具有普通雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點外，還有一個很大的優(yōu)點就是電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于沒有電刷和滑環(huán)，基本上不需要維護(hù)。2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計2.2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電

34、系統(tǒng)的特點是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風(fēng)能。另外，對于恒速風(fēng)機(jī)來說，當(dāng)風(fēng)速躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)槭應(yīng)力，如果這種過程重復(fù)出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計時應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致制造成本增加。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速運行時，當(dāng)風(fēng)速躍升產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力。當(dāng)風(fēng)速下降時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

35、電能送入電網(wǎng)，風(fēng)輪的加速、減速對風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用，使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行更加平穩(wěn)和安全。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點： 1)最大限度的捕捉風(fēng)能。 2).較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應(yīng)由于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。采用一定的控制策略(如矢量PWM)可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)可起到功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)淖饔谩?3)采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)，可抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率，降成本。2.2.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)能機(jī)、齒輪箱、異

36、步發(fā)電機(jī)、整流裝置、儲能裝置、控制系統(tǒng)六部分組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 異步發(fā)電機(jī)三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為fr+fm和，- fm的兩個分量組成的調(diào)幅波。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為fm的恒頻正弦波輸出。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機(jī)，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存

37、在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當(dāng)簡單，運行非?？煽?。它的另一個優(yōu)點是可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，只需采取適當(dāng)?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。 系統(tǒng)如圖2.1所示：電網(wǎng) 圖2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電泵統(tǒng)風(fēng)輪機(jī) 風(fēng)輪機(jī)是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件，它用來截獲流動空氣所具有的動能，并將風(fēng)輪機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動能轉(zhuǎn)換為有

38、用的機(jī)械能，所以它不僅決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出，而且直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計及其空氣動力特性的分析一直是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)的一個重要方向。 風(fēng)輪機(jī)的氣動特性很復(fù)雜，主要包括：力矩特性、功率特性、推力特性等。為了闡明充分利用風(fēng)輪機(jī)獲取風(fēng)能、使發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪機(jī)達(dá)到最佳配合的方法，下面對風(fēng)能機(jī)的功率特性做簡要的分析說明。 設(shè)4為風(fēng)輪機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積，y為空氣進(jìn)入風(fēng)輪機(jī)掃掠面以前的風(fēng)速（即未擾動風(fēng)速），Q為空氣的密度，則在單位時間（內(nèi)垂直通過截面彳的空氣的動能，即風(fēng)輪機(jī)的輸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究入功率為： 露=三（p*Av）y2=眉= 1pAv3 (2

39、.1) 定義風(fēng)能利用系數(shù) L輸出的機(jī)械功率一巴 (2.2) Cp=號篆罷翥侖面內(nèi)的功率 暑 所以有： 己= Cp日=三pAv3Cp (2.3) 風(fēng)能利用系數(shù)C時表征風(fēng)輪機(jī)效率的重要參數(shù)，它隨著風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，Cp值是變化的根據(jù)貝茨理論3，Cp的最大值為01593。一般的，對水平軸風(fēng)輪機(jī)而言，Cp=o20.5，而且高速風(fēng)輪（少葉片風(fēng)輪屬于高速風(fēng)輪）的Cp。大于低速風(fēng)輪的Cpm。，同時考慮到在風(fēng)場中風(fēng)輪機(jī)會受到風(fēng)速與風(fēng)向波動的影響，高速風(fēng)輪實際的Cpmax大致在0.4左右，很難超過0.5。 在某一固定的風(fēng)速下，隨著風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速以的變化，CP的值會相應(yīng)的變化，從而使風(fēng)輪機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm變化，也就

40、是說，轉(zhuǎn)速，l變化，會導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能的能力有所不同。齒輪箱 齒輪箱是風(fēng)輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的傳動機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械部分，它的作用是風(fēng)能機(jī)轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來。齒輪箱也根據(jù)特殊情況采用一些特殊裝置，例如：在孤島型供電方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可在風(fēng)力渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間裝設(shè)飛輪，利用飛輪酌高慣性在風(fēng)速過快時進(jìn)行儲能，風(fēng)速過慢時釋放儲能，使風(fēng)力渦輪機(jī)輸出機(jī)械功率穩(wěn)定。但飛輪的使用受場地限制，且飛輪必須與柴油機(jī)配套使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī) 目前用來做風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類多種多樣，有異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)等等。 本系統(tǒng)選用雙輸出異步發(fā)電機(jī)，其性能及優(yōu)越性如下： 異步發(fā)電機(jī)一直是風(fēng)能

41、系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器，因為把異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。通常同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時必須整步，并且并入電網(wǎng)后有時會發(fā)生振蕩與失步。而且，變速運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)能捕捉更多的風(fēng)能，這可從三個方面來說明：當(dāng)風(fēng)速低于用來發(fā)出與電網(wǎng)同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風(fēng)能。第二，通過對電壓和頻率的動態(tài)控制允許發(fā)電機(jī)工作在最大效率點。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機(jī)勵磁能跟蹤風(fēng)速變化，因此可以降低機(jī)械傳動的能量損耗。但該機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究的主要缺點是風(fēng)速小時，電能輸出少。為此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)

42、電變換器線路中利用不同極對數(shù)和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機(jī)的方法，可以達(dá)到增加輸出的目的。該方案是在電網(wǎng)頻率不變的情況下，由風(fēng)輪運行工況變換為電機(jī)轉(zhuǎn)速變化工況，從而增加了電能輸出，還可以實現(xiàn)機(jī)組的平衡起動和電磁制動，以及電網(wǎng)電壓故障時，控制線路中的伺服電動機(jī)可得到備用電源。 利用兩臺發(fā)電機(jī)無疑會增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設(shè)備的成本，增加折舊的運行費用。因此，也有采用一臺雙速變極發(fā)電機(jī)來替代兩臺不同額定功率值的異步發(fā)電機(jī)。 通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)和效率都較普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)的高，也就是說它比普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有很大的優(yōu)越性。 1雙輸出異步發(fā)

43、電機(jī)的工作原理 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機(jī)以超同步轉(zhuǎn)子速度運行。這個特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時損失了風(fēng)能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的。為使異步發(fā)電機(jī)作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一個有源逆變器相連使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機(jī)。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就可以改變逆變器的電壓。該異

44、步發(fā)電機(jī)是作為一臺雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)以超同步速度運行的。這實際上是異步電機(jī)的串級調(diào)速在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。 這種系統(tǒng)中異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組側(cè)接的整流器是不可控整流器，與轉(zhuǎn)子繞組接交交變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)比較，調(diào)節(jié)功能要小些，其中最主要的是不能調(diào)節(jié)定子側(cè)的無功功率，且因逆變器功率因數(shù)低，使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。但由于SCR的應(yīng)用的衰退，也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴(yán)重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時，檢測、控制轉(zhuǎn)差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。 2雙輸出異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性 為了使雙輸出異步發(fā)電機(jī)與普通異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較，可用實驗的方法驗證

45、雙輸出異步發(fā)電機(jī)的性能。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）。如果施加額定電壓，由于異步笈電機(jī)的電流受到限制，就不可能獲得更多的實驗數(shù)據(jù)。有功功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)子速度的變化轉(zhuǎn)子速度增加時，異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率也風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究增加，直到它達(dá)到最大值為止，然后再下降（也就是電機(jī)失步）。同樣應(yīng)當(dāng)注意，電機(jī)達(dá)到失步之前，定子電流增加到超過其額定值時會使電機(jī)過熱，然而雙輸出異步發(fā)電機(jī)若使引起發(fā)熱的電流保持不變，在超過運行速度范圍時，也能在其額定發(fā)熱范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現(xiàn)。 3無功功率和功率因數(shù)隨速度的變化 普通異步發(fā)電機(jī)的無功

46、功率比雙輸出異步發(fā)電機(jī)的高得多。從而，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有較高的功率因數(shù)，這是因為當(dāng)保持電機(jī)氣隙磁通不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的相位和幅值，就可以補(bǔ)償定子側(cè)的無功功率。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生。這時，定子側(cè)的無功功率減少，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功功率增大。和同步電機(jī)過激時的情況類似，增加轉(zhuǎn)子側(cè)的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。這意味著當(dāng)連接到電網(wǎng)時，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)是一臺較好的能量轉(zhuǎn)換器。 4效率隨速度的變化 在額定速度之上時，雙輸出異步發(fā)電的效率比普通異步發(fā)電機(jī)的效率高，這是因為在超同步運行時，由于發(fā)電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)速提高，所

47、以電機(jī)的輸出功率提高，同時因為銅耗、鐵耗基奉保持不變，所以電機(jī)的效率也得到提高。 雙輸出異步發(fā)電機(jī)的有功功率、功率因數(shù)和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內(nèi)工作。另外，應(yīng)當(dāng)指出的是，由于在轉(zhuǎn)子回路中采用了直流耦合變換器，在轉(zhuǎn)子和定子中都會引起諧波電流，從而產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩和增加機(jī)械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機(jī)的特性帶來了一些影響。例如，當(dāng)直流回路中電抗器的電感量足夠大時（Ld：大于或等于3Xpw o，Ld：折算到轉(zhuǎn)子整流回路的平均電抗器的電感，Xp-折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗，w o-定子側(cè)電源的頻率）時，逆變器的脈動電勢所引

48、起的轉(zhuǎn)子脈動電流可以忽略不計，但當(dāng)Ld不滿足上述條件時，將會出現(xiàn)輕載時電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使機(jī)械特性發(fā)生畸變。另外，直流側(cè)的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等，還會引起逆變器的提前短路，形成環(huán)流。但通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)（如定子漏電感、轉(zhuǎn)子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻），可以使諧波分量降低，脈動轉(zhuǎn)矩和銅耗均減少。整流裝置 1整流電路的選擇策略20 1)整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛電路形式多種多樣，各具特色?？蓮母鞣N角度對整流電路進(jìn)行分類，分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種：按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

49、的研究電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單向或雙向；又分為單拍電路和雙拍電路。 2)各種整流電路優(yōu)缺點的比較a)單相半波可控整流電路的特點是：簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設(shè)備的容量。b)單相橋式全控整流電路與單相全波二者的區(qū)別在于：單相全波可控整流電路中變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全橋多，在當(dāng)今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。 單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個，相應(yīng)

50、地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少2個；但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大電壓為2U：，是單相全控橋式整流電路的2倍。單相全波可控整流電路中，導(dǎo)電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而也少了一次管壓降。 從上述比較考慮，單相全波電路適宜于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。c)單相橋式半控整流電路的特點：該電路實用中需加設(shè)續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。電路簡他。d)電容濾波的單相不可控整流電路的特點：適用于交一直一交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。 從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據(jù)本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電的要求，本系統(tǒng)采用電容濾波的

51、單相不可控整流電路 2穩(wěn)壓電路的選擇策略 開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展迅速，種類繁多，從工作方式上，可分為可控整流型、斬波型和隔離型三大類。 1)所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作調(diào)整開關(guān)，由交流市電電網(wǎng)供電，可直接供電，也可經(jīng)過變壓器變壓后供電。在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角，靠調(diào)導(dǎo)通角的大小，達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。方框圖見圖2.2。圖2.2 可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 2)所謂斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動

52、直流，經(jīng)濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流輸出電壓，從輸出電壓取樣，經(jīng)比較、放大、控制脈沖信號，控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的相對長短達(dá)到穩(wěn)壓的目的。方框圖見圖2.3。這種穩(wěn)壓電源的開關(guān)元件常由晶體三極管擔(dān)任。調(diào)壓也是靠改變調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通和截止時間的相對長短來實現(xiàn)的。 圖2.3斬波型開關(guān)穩(wěn)壓器方框圖 3)所謂隔離型開關(guān)電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器，由磁場的變化實現(xiàn)能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。習(xí)慣上稱為直流變換器。直流變換器不都是隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器，因為直流變換器中，將輸入的直流變成交變電壓的逆變器不都是工作在開關(guān)狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能

53、。嚴(yán)格地說，直流變換器包括隔離開關(guān)型穩(wěn)壓器，但為了通俗，還是采用直流變換器一詞。直流變換器是指直流電壓供電，經(jīng)開關(guān)電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。經(jīng)過逆變器將直流供電能量轉(zhuǎn)變成頻率很高的交流能量，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，待到新的直流輸出電壓。從輸出取樣，經(jīng)放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。方框圖見圖2.4。圖2.4 直流變換器方框圖 根據(jù)本文的研究，采用可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。 3逆變電路的選擇策略 1)直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V 這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，控制也比較容易。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體

54、積、重量和成本。另外，逆變時由于輸入電壓低，造成電流大，功率管的選擇比較困難。還有，逆變后電流也比較大，從而后級工頻變壓器的制作也比較困難。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 2)高頻鏈逆變技術(shù)逆變出交流220V電壓 這種方法因為使用高頻變壓器，因此體積小、重量輕、成本也低。但是由于是新興技術(shù)，逆變時要精確確定電壓過零點和電流過零點，因此控制電路比較復(fù)雜、難以控制。另外，目前采用高頻鏈逆變技術(shù)的逆變器只能用于低功率范疇。有關(guān)資料表明，目前最大功率僅為300W。 3)高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓 這種方法不但控制簡單，而且也避免了使用工頻變壓器。升壓電路可供選擇的電路結(jié)構(gòu)形式有多鐘

55、，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開關(guān)電源等。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結(jié)構(gòu)形式，也可以選擇不隔離的電路結(jié)構(gòu)形式。為了人身安全起見，一般選用輸入輸出有隔離的電路結(jié)構(gòu)。儲能裝置 一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能，系統(tǒng)(如下圖2.5)所示。圖中ug是發(fā)電機(jī)出口電壓，“，是整流器出口電壓，112是逆變器入口電壓，U是負(fù)荷電壓，直流直流轉(zhuǎn)換器用于兩個直流電源之間的電壓轉(zhuǎn)換，有帶電壓隔離和不帶電壓隔離兩種。根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)速條件計算出發(fā)電機(jī)電流、整流器電流、負(fù)荷電流、電池充電電流及電池電壓。教據(jù)輸入為測量值，計算結(jié)果與測量值在控制器中進(jìn)行比較，校正后調(diào)節(jié)輸出

56、，使輸出穩(wěn)定。研究表明系統(tǒng)參數(shù)中受風(fēng)速變化影響的依次是發(fā)電機(jī)電流、整流器電流、電池電流。由于電池的存在，使得發(fā)電機(jī)電壓和整流器電壓在短時間內(nèi)不會隨風(fēng)速的變化而劇烈波動，但電池容量有限，一般用于小容量的孤島型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在并網(wǎng)型供電形式中基本不采用。 圖2.5采用電池儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點的比較： 鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價低廉，電氣性能良好。 鎳鎘蓄電池：機(jī)械強(qiáng)度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點，但價格按貴。 鋰離子電池：工作電壓高，比能量大，充電速度快等優(yōu)點，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。 但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導(dǎo)儲能單元更具優(yōu)越性。超導(dǎo)儲能單元是

57、柔性交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究輸電技術(shù)中的一種。它由一個超導(dǎo)線圈，一個強(qiáng)制換向變換器和一個控制器組成。強(qiáng)制換向變換器是基于晶閘管的半導(dǎo)體開關(guān)，能使超導(dǎo)儲能(SMES)單元發(fā)出或吸收有功和無功功率。具有這種功能的超導(dǎo)儲能單元可被看作是一個由有功和無功控制器控制幅值和相位的可控電流源。超導(dǎo)儲能單元的儲能容量大，響應(yīng)速度快，在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用，如解決次同步振蕩、多機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定等問題，其應(yīng)用前景非常光明。 雖然SMES價格較貴，但其容量大、響應(yīng)快。到90年代已被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。隨著風(fēng)力發(fā)電向規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的供電形式必然由

58、孤島型向并網(wǎng)型發(fā)展。在并網(wǎng)型供電形式中應(yīng)用超導(dǎo)儲能SMES技術(shù)。首先建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示，U2表示發(fā)電機(jī)出口母線電壓，所采用的超導(dǎo)儲能(SMES)控制單元方框圖如圖2.7所示。AS圖2.6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電網(wǎng)圖2.7 SMES系統(tǒng)方框圖=（志）出乞。Q。=丁ijiQd。劃卟互“2(2.4)(2.5)(2.6)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 AEDC A/矗= 一 (2.7) sLm 由(2.4)、(2.5)、(2.6)、(2.7)式和（圖2,7）可知超導(dǎo)儲能(SMES)控制單元以異步發(fā)電機(jī)滑差的變化s和發(fā)電機(jī)出口電壓的變化Iu21作為輸入信號，使輸出到母線上的有功功率Pmr和無功功率

59、Q.vrrr發(fā)生變化，從而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。Ism是超導(dǎo)儲能作為電流源的輸出電流， AI DC和AEDC是已變換的超導(dǎo)儲能(SMES)裝置的電流和電壓偏差，TDC是強(qiáng)制換向變換器的時間常數(shù)，。是超導(dǎo)儲能線圈的電感，U爿+和IDC分別為電壓和電流的標(biāo)幺值，K蜘是異步發(fā)電機(jī)的滑差系數(shù)，K。是對應(yīng)AIDC的電流比例系數(shù)。 所以本系統(tǒng)采用超導(dǎo)儲能單元，可以提高整個系統(tǒng)的輸出?？刂葡到y(tǒng) 為使風(fēng)力機(jī)組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進(jìn)行有效的控制。考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求： 1)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的； 2)運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、

60、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性； 3)控制代價小即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時問等； 4)最大限度她將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機(jī)在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量： 5)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。 在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能控制為恒頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下： 1)發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?2)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構(gòu)成的AC/D變流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。 3