風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統項目設計方案

1、<p>　　風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統項目設計方案</p><p>　　1.1 開發(fā)利用風能的動因</p><p>　　風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)利用風能的動因也在變化。下面將主要從經濟、環(huán)境、社會和技術進步四方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。</p><p>　　1.1.1 經濟驅動力</p>

2、<p>　　1.1.1.1 經濟最優(yōu)化</p><p>　　能源供應的經濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。在偏遠地區(qū)，電力供應困難。與常規(guī)電網延伸和柴/汽油機發(fā)電相比，利用小型離網風力發(fā)電系統供電有成本優(yōu)勢。例如在內蒙古農牧區(qū)，利用小型離網風力發(fā)電系統供電，農牧戶承擔的成本約2元/KW左右。如果用電網延伸的方法，農牧戶承擔的成本高于8元/KW。在這些地區(qū)，利用汽油/柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運

3、輸成本，農牧戶承擔的成本也要高于6元/KW。</p><p>　　1.1.1.2 化石能源資源枯竭與供應安全[5]</p><p>　　進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經過了多次能源危機。人們開始認識到，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50億噸，即使加上新發(fā)現的油田，

4、專家估計總儲量也不會超過2000億噸，石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，當務之急是尋找和研究利用其他可再生資源。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。</p><p>　　一些國家要靠進口化石能源來滿足本國內能源的消費。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內的化石能源價格變化較小，社會經濟穩(wěn)定性也因此而增強。</p>

5、;<p>　　1.1.1.3 促進能源產業(yè)升級</p><p>　　風力發(fā)電技術屬于新興技術，風電產業(yè)是朝陽產業(yè)。風力發(fā)電技術的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產業(yè)帶來新的活力，成為國民經濟的一種新的經濟增長點。一個國家如果開發(fā)利用風能技術早，就有可能占據風能利用的技術和市場優(yōu)勢。</p><p>　　1.1.2 環(huán)境驅動力</p><

6、;p>　　除了人們早先認識到的煙塵、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識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放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)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應更加明顯，各國都認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)達國

7、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。風能在能源轉化工程中不會產生任何排放量，因此除了不產生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。</p><p>　　1.1.3 社會驅動力</p><p>　　風能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。除了在工廠的生產和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設備維護方面也會提供就業(yè)機會。</p&

8、gt;<p>　　另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)利用已經成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例子，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。</p><p>　　1.1.4 技術驅動力</p><p>　　隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新

9、型高強度、輕質材料的出現，計算機設計技術的廣泛應用和自動控制技術的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。</p><p>　　1.2 風力發(fā)電的現狀</p><p>　　1.2.1 世界風力發(fā)電現狀</p><p>　　20世紀80年代以來，工業(yè)發(fā)達國家對風力發(fā)電機組的研制取得了巨大進展

10、。1987年美國研制出單機容量為3.2MW的水平軸風力發(fā)電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機容量為4.0MW的立軸達里厄風力發(fā)電機組，安裝于魁北克省的凱普-柴特。進入20世紀80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到20世紀90年代，單機容量為100～200KW的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同時單機容量在1MW以上的風

11、力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。</p><p>　　世界風電總裝機容量1997年底為746萬KW,1998年底為1015萬KW，1999年底為1393萬KW，2000年達1845萬KW，2001年達2493萬KW，2002年達3112KW,平均年增長率在30%以上。歐洲風能協會預計，全世界到2020年風力發(fā)電裝機容量將超過1億KW，占歐洲總發(fā)電量的20%以上。世界能源委員會預計，全世界到2020

12、年風力發(fā)電裝機容量可達1.8億～4.7億KW。</p><p>　　1.2.2 中國風力發(fā)電現狀[13]</p><p>　　中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW以下獨力運行的小型風力發(fā)電機組，二是100KW以上并網運行的大型風力發(fā)電機組。</p><p>　　20世紀80年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設。1

13、983年在山東榮城引進3臺丹麥55KW風力發(fā)電機組，開始并網風力發(fā)電技術的試驗和示范。1986年在新疆達坂城安裝了１臺100KW風力發(fā)電機組，1989年又安裝了13臺150KW風力發(fā)電機組，同年在內蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。特別近年來，中國的風力風電場建設取得了較好的經濟效益和巨大的發(fā)展。據統計，到2001年底，中國共建有27座風電場，裝機812臺，總容量39.98985萬KW。目前正處于

14、前期工作階段和正在建設的風電場以遍及10多個省、市和自治區(qū)。</p><p><b>　　風力發(fā)電展望</b></p><p>　　風力發(fā)電技術目前還在不斷發(fā)展，主要體現在單機容量不斷增大上。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到600～750KW，MW級的機組也成批生產，24MW級的機組已在實驗生產。這就必然要采用一些新的復合材料和新的技術。例如，單機容量不斷增大，槳葉的

15、長度也在不斷增長，容量為2MW的風力機葉輪掃風直徑達72m。目前最長的葉片以做到50m。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風力機槳葉是根據直升飛機的機翼設計的，而風力機的槳葉運行在與直升飛機很不同的空氣動力環(huán)境中。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。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，比早期的一些風力機槳葉捕捉風能的能力要大20%。目前，丹麥、 美國

16、、德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進的設備和技術條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發(fā)。</p><p>　　在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。地處平坦地帶的風力機。在50m高處捕捉的風能要比30m高處多20%。</p><p>　　尤其值得注意的是，隨著電力電子技術的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電

17、機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉子的轉速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經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，在逆變成與電網同頻率的交流電輸出。由于他被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風能的效率，試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風力發(fā)電機組要比恒速風力發(fā)電機組多捕獲15%的風能，同時每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統各部件的受力狀況，可使風力發(fā)電機組的支撐

18、結構減輕，塔架等基礎費用也可降低。其運行維護費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術。[14]</p><p>　　風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向將集中在：提高機群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性；提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現運行的最佳控制；進一步降低設備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在1MW以上的風力發(fā)電場將占據主導地位，風力發(fā)電場內的風力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。</p>&l

19、t;p>　　此外，發(fā)展海上風電場也成為新的大型風力發(fā)電機組的應用領域而受到重視。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在規(guī)劃較大的海上風電場項目。這是由于海上風速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風電場平均設備利用為2000h，好的為2600h，而在海上則可達3000h以上。為便于浮吊的施工，海上風電場一般建在水深為3～8m處，因而同容量裝機要比陸上成本增加60%（海上基礎占23%，線路占20%，陸上僅占5%）左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。&l

20、t;/p><p>　　第2章 風力發(fā)電系統的研究</p><p>　　2.1 風力發(fā)電系統 </p><p>　　風力發(fā)電系統是風力發(fā)電的重要部分，它不僅直接影響轉換過程的性能、效率和供電質量，而且也影響到前一個轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，研制和選用適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機系統，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。

21、在考慮發(fā)電機系統方案時，應結合它們的運行方式重點解決以下問題：</p><p>　　1) 高質量地將不斷變化的風能轉換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。</p><p>　　2). 高效率的實現能量轉換，以降低每度電的成本。</p><p>　　3) 穩(wěn)定可靠地同電網、柴油發(fā)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系統聯合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。</p>

22、<p>　　目前得到廣泛應用的主要有恒速恒頻發(fā)電系統和變速恒頻發(fā)電機系統。下面分別作一概要介紹。</p><p>　　2.1.1 恒速恒頻發(fā)電系統</p><p>　　恒速恒頻發(fā)電系統一般來說比較簡單。所采用的發(fā)動機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極數和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步速的轉速運行。</

23、p><p>　　風力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機。其輸出聯接到鄰近的三相電網或輸配電線。其輸出聯接到鄰近的三相電網或輸配電線。因為三相電機比起相同額定功率的單相電機來，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的少數情況下才了考慮采用單相發(fā)電機。</p><p>　　同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網或負載提供無功功率，一臺額定容量125KVA、功率因數為

24、0.8的同步發(fā)電機可以在提供100KW額定有功功率的同時，向電網提供,+75KW和-75KW之間的任何無功功率值。它不僅可以并網運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負載的需要。</p><p>　　同步發(fā)電機的缺點是它的結構以及控制系統比較復雜，成本相對于感應發(fā)電機也比較高。</p><p>　　感應發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統中，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機。它

25、的定子鐵心和定子繞組的結構與同步發(fā)電機相同。轉子采用籠型結構，轉子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接。轉子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結構簡單、堅固，基本上無需維護。[6]</p><p>　　感應發(fā)電機也可以有兩種運行方式，即并網運行和單獨運行。在并網運行時，感應發(fā)電機一方面向電網輸出有功功率，另一方面又必須從電網吸收落后的無功功率。在單獨運行時，感

26、應發(fā)電機電壓的建立需要有一個自勵過程。自勵的條件，一個是電機本身存在一定的剩磁；另一個是在發(fā)電機的定子輸出端與負載并聯一組適當容量的電容器，使發(fā)電機的磁化曲線與電容特性曲線交于正常的運行點，產生所需的額定電壓。</p><p>　　2.1.2 變速恒頻發(fā)電機系統</p><p>　　這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統，其主要優(yōu)點在于風輪以變速運行，可以在很寬的

27、風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外，這種風力機在結構上和實用中還有很多優(yōu)越性。利用電力電子學是實現變速運行最佳的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統相比可能使風電轉換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。</p><p>　　變速運行的風力發(fā)電

28、機有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類，下面分別作一概要介紹。</p><p>　　2.1.2.1 不連續(xù)變速系統</p><p>　　一般來說，利用不連續(xù)變速發(fā)電機可以獲得連續(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速的風電機組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風速范圍內運行于最佳葉尖速比附近。但它對風速的快速變化實際上只是一臺單速風力機，因此不能期望它像連續(xù)變速系統那樣有效地

29、獲取變化的風能。更重要的是，它不能利用轉子的慣性來吸收峰值轉矩，所以這種方法不能改善風力機的疲勞壽命。下面介紹不連續(xù)變速運行方式常用的幾種方法。</p><p>　　1. 采用多臺不同轉速的發(fā)動機 </p><p>　　通常是采用兩臺轉速、功率不同的感應發(fā)電機，在某一時間內只有一臺被聯到電網，傳動機構的設計使發(fā)動機在兩章風輪轉速下運行在稍貴有各自的頭部轉速。</p><

30、;p>　　2. 雙繞組雙速感應發(fā)電機 </p><p>　　這種電機有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內，在某一時間內僅有一個繞組在工作，轉子仍是通常的鼠籠型。電機有兩種轉速，分別決定于兩個繞組的極數。比起單速機來，這種發(fā)動機要重一些，效率也稍低一些，因為總有一個繞組未被利用，導致損耗相對增大。它的價格當然也比通常的單速電機貴。</p><p>　　3. 雙速極幅調制感應發(fā)電機

31、 </p><p>　　這種感應發(fā)電機只有一個定子繞組，轉子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設計不同于普通單速發(fā)動機。它的每相繞組由匝數相同的兩部分組成，對于一種轉速是并聯，對于另一種轉速是串聯，從而使磁場在兩種情況下有不同的極數，導致兩種不同的運行速度。這種電機定子繞組有六個接線端子，通過開關控制不同的接法，即可得到不同的轉速。</p><p>　　雙速單繞組極幅調制感應發(fā)電

32、機可以得到與雙繞組雙速發(fā)電機極不相同的性能，但重量輕、體積小，因而造價也較低，它的效率與單速發(fā)動機大致相同。缺點是電機的旋轉磁場不是理想正弦形，因此產生的電流中有不需要的諧波分量。</p><p>　　2.1.2.2 連續(xù)變速系統</p><p>　　連續(xù)變速系統可以通過多種方法來得到，包括機械方法、電/機械方法、電氣方法及電子學方法等。機械方法如采用變速比液壓傳動或可變傳動比機械傳動，

33、電/機械方法如采用定子可旋轉的感應發(fā)電機，電氣式變速系統如采用高滑差感應發(fā)電機或雙定子感應發(fā)電機等。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運行，但都存在這樣或那樣的缺點和問題，在實際應用中難以推廣。目前看來最有前景的當屬電力電子學方法，這種變速發(fā)電系統主要由兩部分組成，即發(fā)電機和電力電子變換裝置。發(fā)電機可以是市場上已有的通常電機如同步發(fā)電機、鼠籠型感應發(fā)電機、繞線型感應發(fā)電機等，也有近來研制的新型發(fā)電機如磁場調制發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機等；電力電

34、子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。下面結合發(fā)電機和電力電子變換裝置介紹三種連續(xù)變速的發(fā)電系統。[9]</p><p>　　1. 同步發(fā)電機交流/直流/交流系統 </p><p>　　其中同步發(fā)電機可隨風輪變速旋轉，產生頻率變化的電功率，電壓可通過調節(jié)電機的勵磁電流來進行控制。發(fā)電機發(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

35、率恒定的交流電輸入電網。</p><p>　　2. 磁場調制發(fā)電機系統</p><p>　　采用的發(fā)電機為磁場調制型發(fā)電機，磁場調制型變速恒頻發(fā)電機系統由一臺專門設計的三相高頻交流發(fā)電機和一套功率轉換電路組成。發(fā)電機本身具有較高的旋轉頻，用頻率為 (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和的兩個分量組成的調幅波。通過并聯橋式整流器整流，然后通過可控硅開關

36、電路，將波形的一半反向，最后經濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉速無關頻率為的恒頻正弦波輸出。它實質上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調制和解調技術來產生一個所需的低頻單相輸出。</p><p>　　由上述可以看出磁場調制發(fā)電機系統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)電機的轉速無關。這個特點非常適合用于并網運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網同步，

37、不存在失步問題，而且整個系統控制相當簡單，運行非常可靠。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內按最佳效率運行，提高了風能轉化效率，且簡化風力機的調速機構，只需采取適當的限速措施即可，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。還有該系統中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統效率較高。</p><

38、p>　　它的缺點是若想得到三相輸出，則必須采用三套磁場調制發(fā)電機系統，且各套發(fā)電機系統間應保持某一合適的相位差，這就提高了整個系統的成本。磁場調制發(fā)電機系統用的高頻發(fā)電機的轉速較高，而風輪轉速較低，故系統需要速比較大的增速器，也提高了系統的成本。另外，因其電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量要大，提高了成本。</p><p>　　3. 雙饋發(fā)電機系統</p><p>　　雙饋發(fā)電機

39、的機構類似繞組型感應電機，其定子繞組直接接入電網，轉子繞組由一臺頻率、電壓可調的低頻電源（一般采用交/交循環(huán)變流器）供給三相低頻勵磁電流，當轉子繞組通過三相低頻電流時，在轉子中形成一個低速旋轉磁場，這個磁場的旋轉速度n1與轉子的機械轉速n2相疊加，使其等于定子的同步轉速n3。從而在發(fā)電機定子繞組中感應出相應于同步轉速的工頻電壓。當風速變化時轉速n2隨之而變化。在n2變化時，相應改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度n1，以補償電機轉速的變化

40、，保持輸出頻率恒定不變。</p><p>　　系統中所采用的循環(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，半導體開關器件采用線路換向，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)電機的轉子回路（勵磁回路），其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%。這種系統中的發(fā)電機可以超同步運行（轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，n1為負），也可以次同步速運行（轉子旋轉磁

41、場方向與機械旋轉方向相同，為正）。在前一種情況下，除了定子向電網饋送電力外，轉子也向電網饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網饋送電力的同時，需要向轉子饋入部分電力。</p><p>　　上述系統由于發(fā)電機與傳統的繞線式感應電機類似，一般具有電刷和滑環(huán)，需要一定的維護和檢修。目前正在研究一種新型的無刷雙饋發(fā)電機，它采用雙級定子和嵌套偶合的籠型轉子。這種電機轉子類似鼠籠型轉子，定子類似單繞組雙速感應電機的定

42、子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網相聯。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當于轉差頻率，必須通過電力變換裝置（交/交循環(huán)變流器）變換成與電網相同的頻率和電壓后再聯入電網。這種發(fā)電機系統除具有普通雙饋發(fā)電機系統的優(yōu)點外，還有一個很大的優(yōu)點就是電機結構簡單可靠，由于沒有電刷和滑環(huán)，基本上不需要維護。</p><p>　　2.2 變速

43、恒頻風力發(fā)電系統的總體設計</p><p>　　2.2.1 變速恒頻風力發(fā)電系統的特點</p><p>　　變速恒頻風力發(fā)電系統的特點是風力機和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內變化，而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當的控制，使風力機的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。另外，對于恒速風機來說，當風速躍升時，巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產生

44、很大的機械應力，如果這種過程重復出現會引起這些部件的疲勞損壞，因此設計時應該加大安全系數，從而導致制造成本增加。而風力發(fā)電機采取變速運行時，當風速躍升產生的巨大風能，部分被加速旋轉的風輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力。當風速下降時，在電力電子裝置調控下，將高速風輪所釋放的能量轉變?yōu)殡娔芩腿腚娋W，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖作用，使風力機內部能量傳輸部件的應力變化比較平穩(wěn)，

45、防止破壞性機械應力產生，從而使風力發(fā)電機組運行更加平穩(wěn)和安全。</p><p>　　變速恒頻風力發(fā)電系統具有以下共同的優(yōu)點：</p><p>　　1) 最大限度的捕捉風能。</p><p>　　2). 較寬的轉速運行范圍，以適應由于風速變化引起的風力機轉速的變化。</p><p>　　采用一定的控制策略（如矢量PWM）可靈活調節(jié)系統的有功和無

46、功功率，對電網而言這種系統可起到功率因數補償的作用。</p><p>　　3) 采用先進的PWM控制技術，可抑制諧波，減小開關損耗，提高效率，降成本。</p><p>　　2.2.2 變速恒頻風力發(fā)電系統的結構</p><p>　　變速恒頻風力發(fā)系統以變速恒頻為核心,系統結構包括：風能機、齒輪箱、異步發(fā)電機、整流裝置、儲能裝置、控制系統六部分組成。</p&g

47、t;<p>　　異步發(fā)電機三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調幅波。通過并聯橋式整流器整流，然后通過可控硅開關電路，將波形的一半反向，最后經濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉速無關頻率為的恒頻正弦波輸出。它實質上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調制和解調技術來產生一個所需的低頻單相輸出。發(fā)電機系統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)電機的轉速無關。這個特點非常適合用于并網運行，風力發(fā)電

48、機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網同步，不存在失步問題，而且整個系統控制相當簡單，運行非?？煽?。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內按最佳效率運行，提高了風能轉化效率，且簡化風力機的調速機構，只需采取適當的限速措施即可，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。還有該系統中的換

49、向操作簡單容易，換向損耗小，系統效率較高。</p><p>　　系統如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 變速恒頻風力發(fā)電系統</p><p>　　2.2.2.1 風輪機</p><p>　　風輪機是整個風力發(fā)電系統能量轉換的首要部件, 它用來截獲流動空氣所具有的動能, 并將風輪機葉片迎風掃掠面積內的一部分空氣的動能轉換為有用的

50、機械能, 所以它不僅決定了整個風力發(fā)電系統裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。風輪機的設計及其空氣動力特性的分析一直是風力發(fā)電系統研究與開發(fā)的一個重要方向。</p><p>　　風輪機的氣動特性很復雜, 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輪機獲取風能、使發(fā)電機與風輪機達到最佳配合的方法,下面對風能機的功率特性做簡要的分析說明。</p><p>

51、　　設A 為風輪機葉片迎風掃掠面積,為空氣進入風輪機掃掠面以前的風速(即未擾動風速) , Q為空氣的密度, 則在單位時間(內垂直通過截面A的空氣的動能, 即風輪機的輸入功率為:</p><p>　　= (2.1)</p><p><b>　　定義風能利用系數</b></p><p><b>　　(2.2)&

52、lt;/b></p><p>　　所以有: (2.3)</p><p>　　風能利用系數時表征風輪機效率的重要參數,它隨著風輪機轉速的不同,值是變化的.根據貝茨理論[ 3 ] , 的最大值為01593。一般的, 對水平軸風輪機而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速風輪(少葉片風輪屬于高速風輪) 的大于低速風輪的

53、, 同時考慮到在風場中風輪機會受到風速與風向波動的影響, 高速風輪實際的大致在0.4 左右, 很難超過0.5。</p><p>　　在某一固定的風速下, 隨著風輪機轉速n 的變化, CP 的值會相應的變化, 從而使風輪機輸出的機械功率Pm 變化, 也就是說, 轉速n 變化, 會導致風輪機捕獲風能的能力有所不同。</p><p>　　2.2.1.2 齒輪箱</p><p

54、>　　齒輪箱是風輪機和風力發(fā)電機之間的傳動機構,屬于機械部分,它的作用是風能機轉動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉動起來。齒輪箱也根據特殊情況采用一些特殊裝置,例如:：在孤島型供電方式的風力發(fā)電系統中,可在風力渦輪機與發(fā)電機之間裝設飛輪,利用飛輪的高慣性在風速過快時進行儲能,風速過慢時釋放儲能,使風力渦輪機輸出機械功率穩(wěn)定。但飛輪的使用受場地限制,且飛輪必須與柴油機配套使用。</p><p>　　2.2.2.3

55、 風力發(fā)電機 </p><p>　　目前用來做風力發(fā)電的風力發(fā)電機種類多種多樣,有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機等等。</p><p>　　本系統選用雙輸出異步發(fā)電機,其性能及優(yōu)越性如下：</p><p>　　異步發(fā)電機一直是風能系統中常用的能量轉換器，因為把異步發(fā)電機并入電網的手續(xù)極為簡單，只要將轉子帶動到盡可能接近同步轉速，并注意轉子轉向與定子旋轉磁場

56、轉向一致，即可并入電網。通常同步發(fā)電機并入電網時必須整步，并且并入電網后有時會發(fā)生振蕩與失步。而且，變速運行的風力發(fā)電機能捕捉更多的風能，這可從三個方面來說明：當風速低于用來發(fā)出與電網同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風能。第二，通過對電壓和頻率的動態(tài)控制允許發(fā)電機工作在最大效率點。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風速變化，因此可以降低機械傳動的能量損耗。但該機組的主要缺點是風速小時，電能輸出少。為此在風力發(fā)電機組的機電變

57、換器線路中利用不同極對數和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機的方法，可以達到增加輸出的目的。該方案是在電網頻率不變的情況下，由風輪運行工況變換為電機轉速變化工況，從而增加了電能輸出，還可以實現機組的平衡起動和電磁制動，以及電網電壓故障時，控制線路中的伺服電動機可得到備用電源。</p><p>　　利用兩臺發(fā)電機無疑會增加風力發(fā)電機組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設備的成本，增加折舊的運行費用。因此，也有采用一臺雙速

58、變極發(fā)電機來替代兩臺不同額定功率值的異步發(fā)電機。</p><p>　　通過進一步研究發(fā)現，雙輸出異步發(fā)電機產生的有功功率、功率因數和效率都較普通感應發(fā)電機的高，也就是說它比普通感應發(fā)電機具有很大的優(yōu)越性。</p><p>　　1. 雙輸出異步發(fā)電機的工作原理</p><p>　　風能轉換系統中使用的傳統異步發(fā)電機向電網輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機以超同步轉

59、子速度運行。這個特征在速度高于電機額定轉速時損失了風能，也就是說，該系統是作為恒頻風能轉換系統運行的。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉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，使轉子回路的轉差頻率交流電流由半導體整流器整流為直流，再經逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉子送到交流電網中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉差頻率轉換為工頻交流的

60、變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就可以改變逆變器的電壓。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應發(fā)電機以超同步速度運行的。這實際上是異步電機的串級調速在風能轉換系統中的實際應用。</p><p>　　這種系統中異步發(fā)電機轉子繞組側接的整流器是不可控整流器，與轉子繞組接交-交變頻器的雙饋調速系統比較，調節(jié)功能要小些，其中最主要的是不能調節(jié)定子側的無功功率，且因逆變器功率因數低，使整個系統的功率因數較低。但由于SCR的應用的衰

61、退，也由于網側諧波嚴重，SCR交-交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉子側接交-交變頻器時，檢測、控制轉差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統就可以解決這個問題。</p><p>　　2. 雙輸出異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性</p><p>　　為了使雙輸出異步發(fā)電機與普通異步發(fā)電機進行比較，可用實驗的方法驗證雙輸出異步發(fā)電機的性能。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）

62、。如果施加額定電壓，由于異步發(fā)電機的電流受到限制，就不可能獲得更多的實驗數據。有功功率和相應的轉子電流隨轉子速度的變化轉子速度增加時，異步發(fā)電機發(fā)出的有功功率也增加，直到它達到最大值為止，然后再下降（也就是電機失步）。同樣應當注意，電機達到失步之前，定子電流增加到超過其額定值時會使電機過熱，然而雙輸出異步發(fā)電機若使引起發(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)熱范圍內穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現。</p

63、><p>　　3. 無功功率和功率因數隨速度的變化</p><p>　　普通異步發(fā)電機的無功功率比雙輸出異步發(fā)電機的高得多。從而，雙輸出感應發(fā)電機具有較高的功率因數，這是因為當保持電機氣隙磁通不變的情況下，通過調節(jié)轉子電壓的相位和幅值，就可以補償定子側的無功功率。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉子電壓產生。這時，定子側的無功功率減少，轉子側的無功功率增大。和同步電機過激時的情

64、況類似，增加轉子側的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網側的功率因數。這意味著當連接到電網時，雙輸出感應發(fā)電機是一臺較好的能量轉換器。</p><p>　　4. 效率隨速度的變化</p><p>　　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)電機的效率高，這是因為在超同步運行時，由于發(fā)電機額定輸出轉矩不變而轉速提高，所以電機的輸出功率提高，同時因為銅耗、鐵耗基本保持不變

65、，所以電機的效率也得到提高。</p><p>　　雙輸出異步發(fā)電機的有功功率、功率因數和效率都比傳統的異步發(fā)電機的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統結構簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內工作。另外，應當指出的是，由于在轉子回路中采用了直流耦合變換器，在轉子和定子中都會引起諧波電流，從而產生諧波轉矩和增加機械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機的特性帶來了一些影響。例如，當直流回路中電抗器的電感量足夠大時（L

66、d﹕大于或等于3Xp/ｗ0，Ld﹕——折算到轉子整流回路的平均電抗器的電感，Xp——折算到轉子側的每相漏抗，ｗ0——定子側電源的頻率）時，逆變器的脈動電勢所引起的轉子脈動電流可以忽略不計，但當 Ld不滿足上述條件時，將會出現輕載時電流斷續(xù)的現象，使機械特性發(fā)生畸變。另外，直流側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。但通過選擇適當的參數（如定子漏電感、轉子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉子電阻），可以使諧波

67、分量降低，脈動轉矩和銅耗均減少。</p><p>　　2.2.2.4 整流裝置</p><p>　　1. 整流電路的選擇策略[20]</p><p>　　1) 整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑧檬謴V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；按電路結構可分為

68、橋式電路和零式電路；按交流輸入相數可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側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。</p><p>　　2) 各種整流電路優(yōu)缺點的比較</p><p>　　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，增大了設備的容量。</p>

69、<p>　　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，結構較復雜。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全橋多，在當今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。</p><p>　　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，相應地，晶閘管的門極驅動電路也少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

70、，是單相全控橋式整流電路的2倍。</p><p>　　單相全波可控整流電路中，導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而也少了一次管壓降。</p><p>　　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用。</p><p>　　c) 單相橋式半控整流電路的特點：該電路實用中需加設續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現象。電路簡化。</p>

71、<p>　　d) 電容濾波的單相不可控整流電路的特點：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。</p><p>　　從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據本文研究的風力發(fā)電機輸出的電的要求，本系統采用電容濾波的單相不可控整流電路</p><p>　　2. 穩(wěn)壓電路的選擇策略</p><p>　　開關穩(wěn)壓

72、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。</p><p>　　1) 所謂可控整流型開關穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作調整開關，由交流市電電網供電，可直接供電，也可經過變壓器變壓后供電。在可工作的半波內，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導通的正弦曲線的后一部分稱為導通角，靠調導通角的大小，達到調整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。方框圖見圖2.2。</p

73、><p>　　圖2.2 可控整流型開關穩(wěn)壓電源</p><p>　　2) 所謂斬波型開關穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關電路上，在開關電路的輸出端得到單向的脈動直流，經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，經比較、放大、控制脈沖信號，控制調整開關的導通時間和截止時間的相對長短達到穩(wěn)壓的目的。方框圖見圖2.3。這種穩(wěn)壓電源的開關元件常由晶體三極管擔任。調壓也是靠改

74、變調整開關的導通和截止時間的相對長短來實現的。</p><p>　　圖2.3　斬波型開關穩(wěn)壓器方框圖</p><p>　　3) 所謂隔離型開關電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經過高頻變壓器，由磁場的變化實現能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。習慣上稱為直流變換器。直流變換器不都是隔離型開關穩(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狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有

75、不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能。嚴格地說，直流變換器包括隔離開關型穩(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，經開關電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。經過逆變器將直流供電能量轉變成頻率很高的交流能量，再經變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，得到新的直流輸出電壓。從輸出取樣，經放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。方框圖見圖2.4。</p><p

76、>　　圖2.4 直流變換器方框圖</p><p>　　根據本文的研究，采用可控整流型開關穩(wěn)壓電源電路。</p><p>　　3. 逆變電路的選擇策略</p><p>　　1) 直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V</p><p>　　這種方法電路結構簡單，控制也比較容易。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體積、重量和成本。另外，

77、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。</p><p>　　2) 高頻鏈逆變技術逆變出交流220V電壓</p><p>　　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，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雜、難以控制。另外，目前采用高頻鏈逆變技術的逆變器只

78、能用于低功率范疇。有關資料表明，目前最大功率僅為300W。</p><p>　　3) 高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓</p><p>　　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構形式有多鐘，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開關電源等。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結構形式，也可以選擇不隔離的電路結構形式。為了人身安全起

79、見，一般選用輸入輸出有隔離的電路結構。</p><p>　　2.2.2.5 儲能裝置</p><p>　　一般的風力發(fā)電系統可采用電池儲能裝置給風力發(fā)電機儲能，系統(如下圖2.5)所示。圖中是發(fā)電機出口電壓,是整流器出口電壓, 是逆變器入口電壓,U是負荷電壓,直流/ 直流轉換器用于兩個直流電源之間的電壓轉換,有帶電壓隔離和不帶電壓隔離兩種。根據風場的風速條件計算出發(fā)電機電流、整流器電流、

80、負荷電流、電池充電電流及電池電壓。數據輸入為測量值，計算結果與測量值在控制器中進行比較，校正后調節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。研究表明系統參數中受風速變化影響的依次是發(fā)電機電流、整流器電流、電池電流。由于電池的存在,使得發(fā)電機電壓和整流器電壓在短時間內不會隨風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力發(fā)電系統,在并網型供電形式中基本不采用。</p><p>　　圖2.5 采用電池儲能的風力發(fā)電系統<

81、;/p><p>　　蓄電池優(yōu)缺點的比較：</p><p>　　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。</p><p>　　鎳鎘蓄電池：機械強度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點，但價格按貴。</p><p>　　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。</p>

82、<p>　　但從系統的優(yōu)化角度考慮采用超導儲能單元更具優(yōu)越性。超導儲能單元是柔性交流輸電技術中的一種。它由一個超導線圈,一個強制換向變換器和一個控制器組成。強制換向變換器是基于晶閘管的半導體開關,能使超導儲能（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。超導儲能單元的儲能容量大,響應速度快,在電力系統中已經有不少應用,如解決次同步振蕩、多機系

83、統穩(wěn)定等問題,其應用前景非常光明。</p><p>　　雖然 SMES 價格較貴,但其容量大、響應快。到90年代已被應用于風力發(fā)電系統,然而迄今為止僅用于孤島型的風力發(fā)電系統。隨著風力發(fā)電向規(guī)?；?、產業(yè)化發(fā)展,風力發(fā)電系統的供電形式必然由孤島型向并網型發(fā)展。在并網型供電形式中應用超導儲能SMES 技術。首先建立系統結構圖如圖2.6 所示, 表示發(fā)電機出口母線電壓,所采用的超導儲能(SMES) 控制單元方框圖如圖2

84、.7 所示。</p><p>　　圖2.6 系統結構圖</p><p>　　圖2.7 SMES 系統方框圖 </p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（2.5）</b></p><p><b>　　（2.6）</b>

85、;</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　由(2.4)、（2.5）、（2.6）、（2.7） 式和（圖2.7）可知超導儲能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機滑差的變化Δs 和發(fā)電機出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號, 使輸出到母線上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，從而影響風力發(fā)電機發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。是超導儲能作為電流源的輸出電流

86、， 和是已變換的超導儲能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強制換向變換器的時間常數, 是超導儲能線圈的電感, 和分別為電壓和電流的標幺值,是異步發(fā)電機的滑差系數,是對應的電流比例系數。</p><p>　　所以本系統采用超導儲能單元,可以提高整個系統的輸出。</p><p>　　2.2.2.6 控制系統</p><p>　　為使風力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進

87、行有效的控制?？紤]到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：</p><p>　　1) 風能轉換系統是穩(wěn)定的；</p><p>　　2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；</p><p>　　3) 控制代價?。磳Σ煌斎胄盘柕姆涤幸欢ㄏ拗疲缯{向的時問等；</p><p>

88、　　4) 最大限度地將風能轉換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量；</p><p>　　5) 風力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質質量。</p><p>　　在變速恒頻風力發(fā)電控制系統中，需要一種功率轉換裝置將發(fā)電機發(fā)出的電能控制為恒頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：</p><p

89、>　　1) 發(fā)電機把風力機輸出的機械能轉變?yōu)殡娔堋?lt;/p><p>　　2) 發(fā)電機側變流器由自關斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構成的AC/D變流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機發(fā)出的變頻的交流轉換為直流。</p><p>　　3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。</p><p>　　4) 網側變流器由自關斷器件構成的DC/AC變流器，采用某種控

90、制方法使直流電轉變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補償電網功率因數。</p><p>　　5) 變壓器通過變壓器以及一些開關設備和保護設備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ?1kV或33kV等）。</p><p>　　其中2～4可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率

91、通過變頻器進行轉換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉換。</p><p>　　2.2.3 變速恒頻風力發(fā)電系統運行控制的總體方案</p><p>　　變速恒頻風力發(fā)電追蹤和最大風系統運行控制的總體方案是：額定風速以下風力機按優(yōu)化槳矩角定漿距運行，由發(fā)電機控制子系統來控制轉速，調節(jié)風力機葉尖速比，從而實現最佳功率曲線的能量的捕獲；在額定風速以上風力機變槳距運行，由風力機控制系統通過調

92、節(jié)節(jié)距角來改變風能系數，從而控制風電機組的轉速和功率，防止風電機組超出轉速極限和功率極限運行而可能造成的事故。因此，額定風速以下運行是變速恒頻發(fā)電運行的主要工作方式，也是經濟高效的運行方式，這種情況下變速恒頻風力發(fā)電系統的控制目標就是追蹤與捕獲最大風能。為此，必須研究風電系統最大風能捕獲運行的控制機理和控制方法。</p><p>　　2.2.3.1 風力機最佳運行原理</p><p>　

93、　一臺風輪半徑為的風力機，在風速下運行時，它所產生的機械功率： （2.8）</p><p>　　式中 ——空氣密度， </p><p>　　——風力機的輸出功率系數（一般Cp=1/3～2/5，最大可達16/27=0.59）——風力機的掃掠面積，</p><p><b>　　——風速，</b>&

94、lt;/p><p>　　從(1)式可以看出在一定的風速下， 值越大，風能轉化為機械能的效率就越高。而風能利用系數一 (葉尖速比)關系的葉尖速比可表示為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　——風力機的機械轉速(Rad／s)<

95、;/p><p><b>　　——葉片半徑(m)</b></p><p><b>　　——迎面風速()</b></p><p>　　由上可知，在為某一個特定值時對應一個最大的，但是恒速恒頻風力發(fā)電機幾乎不變，而風速是不斷變化的，所以恒速恒頻風力發(fā)電機總是工作于低效狀態(tài)。如果當風速變化的時候，通過適當地調節(jié)發(fā)電機轉子轉速，使得為某

96、一個特定值不變，從而能保持最大的，即能最大限度的利用風能。這就是變速恒頻技術的優(yōu)勢所在。</p><p>　　風力發(fā)電機組控制目標通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風能的最大捕獲以提高風能轉換效率以及改善電能質量問題為實現最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態(tài)：</p><p>　　1) 低風速段實行變速運行，可保持一個恒定的風能利用系數值，根據風速變化控制

97、風力機轉速，使葉尖速比不變，直到轉速達到極限；</p><p>　　2) 轉速達到極限后，風速進一步加大時．按恒定轉速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能利用系數 不一定是最大值；</p><p>　　3) 超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調節(jié)風力機。</p><p>　　2.2.3.2 風力發(fā)電系統的最優(yōu)控制原理</p>&l

98、t;p>　　最優(yōu)控制是現代控制理論的一個重要組成部分，也是將最優(yōu)化理論用于控制問題的一種體現。線性最優(yōu)控制是目前諸多現代控制理論中應用最多、最成熟的一個分支，已廣泛應用于電力系統、交流傳動、電力電子等領域。對一般線性最優(yōu)控制系統：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　式中：為階矩陣；為階矩陣。</p><p&

99、gt;<b>　　性能指標：</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　其中：為終端時間；為終端狀態(tài)；</p><p>　　由此最優(yōu)控制問題可表述為：求一允許控制使：系統由初始狀態(tài))出發(fā)在時間間隔內，到達目標集，并使性能指標為最小。對線性最優(yōu)控制求解問題主要有變分法和極大值原理，如果性能

100、指標采用二次型性能指標：</p><p><b>　　（2.12）</b></p><p>　　其中：、分別為狀態(tài)量與控制量的權矩陣，則最優(yōu)控制系統的設計轉化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問題。</p><p>　　對二次性能指標，如何選擇權矩陣是一項較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對由該所確定的

101、性能指標而言的。因此，如何恰當地選擇權陣是線性最優(yōu)控制設計中需注意的問題。在最優(yōu)控制中，性能指標的選取直接表明了設計者的控制目的．若選時間，則為時間最優(yōu)；若選狀態(tài)，則為狀態(tài)最優(yōu)；若選擇控制，則為能量最優(yōu)；若選擇諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制。</p><p>　　風力發(fā)電系統所應用的控制方法中，以傳統的PID 控制最多，也最為常見，其次就是最優(yōu)控制。</p><p>　　2.2.3.3

102、最大風能捕獲控制</p><p>　　1. 控制發(fā)電機轉距實現最大風能捕獲控制</p><p>　　為實現最大風能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡稱MPPT)，風力發(fā)電系統必須實行變速運行，使系統能夠在不同風速下都能獲得一個最佳葉尖速比；變速方法分為兩大類：一為主動變速，即通過改變風輪的槳距角，改變風電系統的總的輸入氣動轉矩；另一為被動變速，即根據測量風

103、速，調節(jié)與發(fā)電機部分相聯的逆變器的導通角，調節(jié)發(fā)電機的電磁轉矩。相對恒速風力發(fā)電機組，變速風力機雖然可以增加風能捕獲功率，但通常需要一個等容量的功率變換器相匹配，大大增加機組的制造成本。從目前的國內外研究來看，雙饋或無刷雙饋發(fā)電機是一個較為理想的選擇．這類電機不僅可使功率變換器的容量降低為機組額定容量的20％ ～50％ ，而且對一個固定的功率或速度運行點，可調節(jié)電機上功率繞組和控制繞組間的功率流向，降低損耗。基于MPPT的風速估計器及最

104、大效率點跟蹤的研究模型，設計最優(yōu)控制器，可以優(yōu)化無刷雙饋變速風力發(fā)電系統的輸出功率。</p><p>　　異步發(fā)電機磁場定向控制，可實現電機的有功與無功功率的解耦、轉矩與功率因數的解耦，使電機功率因數可調。將最優(yōu)控制應用于定子磁場定向、高效全控型雙饋風力發(fā)電機中，電機定、轉子邊各有一套全控型功率變換器，控制定轉子的電壓及頻率，使發(fā)電機工作在弱磁風狀態(tài)下。考慮到磁路的飽和問題，給出相應電流控制方法，導出最優(yōu)鐵損耗的

105、狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風速時風能捕獲效率提高6％。而對于具有滑差功率回饋的兆瓦級雙饋感應風力發(fā)電系統，轉差率控制能夠獲得適合風力發(fā)電要求的運行速度范圍。轉子回路中接有兩個背靠背的變頻器，目的是通過最小化電氣損耗獲得系統全局最大效率，實現最大風能捕獲的最佳速度跟蹤，電機功率因數可在±0.9之間任意調節(jié)。</p><p>　　對于獨立運行的風力發(fā)電系統，可采用一類可調阻抗一濾波器方法，在線調節(jié)三相可