《毕业设计（论文）风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真.doc（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power by Zhang PeinanSupervisor: Associate Professor Su HongyuHei long jiang University Cambridge collegeMay 2012毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目：风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真设计(论文)的基本内容：(1)了解风机发电机的工艺机理；(2)建立风力发电系统模型；
2、(3)讨论风电系统最大功率调节方法；(4)以MATLAB为工具，对上述研究进行仿真。毕业设计(论文)专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计(论文)题目日期 第2周指导教师签字：2012年3月8日风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题。常规能源如：煤、石油、天然气等，不仅资源有限，而且其应用时造成了严重的环境问题。而风能最为一种清洁可再生能源，发展迅速，已经成为世界新能源最主要的发展方向之一，因此，对风能的开发和利用已经受到了世界各国的高度重视。本文以直驱式永磁同步风力发电系统为例，对目前常用的几种风力发电系统最大
3、功率跟踪控制方法进行了讨论和比较，并以其中的一种方法为例进行了仿真验证。本文在分析国内外风力发电的现状以及风电产业现状的基础上，首先介绍了风力发电系统的总体结构和各组成部分的结构及其运行原理，分析了风力发电机最大功率跟踪控制的基本原理和方法，比较了最佳叶尖速比控制、最佳功率曲线控制和爬山搜索法。基于他们的数学模型在MATLAB/SIMULINK中分别搭建了包括风力机气动模型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等，在此基础上建立了直驱式永磁风力发电系统的模型，并采用最佳叶尖速比控制法，对风力机在额定风速以下进行了仿真，通过仿真验证了该方法的控制效果。关键词：风力发电；最大功率点跟踪；风力机模拟
4、；仿真Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power AbstractThe environment and energy are urgent problems of survival and development of human .Mainly, Conventional energy like coal，oil and natural gas is not only restricted ,but also causing serious air pollutio
5、n .As a clean and renewable energy , the wind power has gotten a quick development and become one of the most promising new energies. Therefore, the utilization of wind power development is regarded by many countries in the world. By taking direct-drive permanent magnet synchronous wind power system
6、 as an example, several maximum power point tracking control method of the current wind power generation system is discussed and compared in this paper, then one of the methods is simulated and verified.Based on the current status and foreground of wind power industrial home and abroad, the paper fi
7、rstly describes the structure and composition of wind turbines operating principle, and secondly analysis maximum power of the wind turbine control principles and methods, and then compares the optimum tip speed ratio control, the best power curve control, and mountain climbing search method. Then a
8、 model of permanent magnet direct drive wind turbine is built in MATLAB/SIMULINK based on the mathematical model, include rotor model, permanent magnet generator model and the control system model. And the simulation models are used to validating the method of the optimum tip speed ratio control bel
9、ow the rated wind speed.Keywords：Wind Power; MPPT; Simulation of Wind Turbine; Simulation目 录毕业设计(论文)任务书I摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪论11.1 课题背景11.1.1 世界能源消费现状11.1.2 国外风能资源与开发现状31.1.3 国内风能资源的开发与现状41.2 风力发电技术现状及发展51.2.1 风力发电技术现状51.2.2 风力发电技术的发展71.3 主要研究内容9第二章 风力发电系统介绍112.1 风力发电系统的总体结构112.1.1 风力机112.1.2 发电机122
10、.2 风力发电系统的理论基础132.2.1 风能的计算132.2.2 风能的贝兹理论142.2.3 叶尖速比152.2.4 风力机特性162.3 本章小结18第三章 风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析193.1 最大风能跟踪的理论基础193.2 最大风能跟踪的算法193.2.1 最佳叶尖速比法203.2.2 功率反馈法203.2.3 爬山搜索法223.3 本章小结23第四章 风力发电系统的建模与仿真254.1 MATLAB/SIMULINK简介254.1.1 MATLAB简介254.1.2 SIMULINK简介264.2 永磁直驱风力发电系统建模264.2.1 风力机的建模274.2.2 发
11、电机的建模274.2.3 发电机转矩模型294.2.4 控制系统模型294.2.5 最佳转速计算模块314.2.6 系统模型314.3 系统仿真324.4 本章小结33第五章 结束语35参考文献37致 谢39第一章 绪论1.1 课题背景能源是社会经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。随着化石能源的日趋枯竭及人类生存环境的逐渐恶化，新的无污染接替能源可再生能源已引起了世界各国的高度重视。可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等自然能源，这些能源既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成威胁。可再生能源技术包括开发和利用可再生能源的各种技术。国内外可再生能源的一个重要
12、应用领域就是发电。用来发电的可再生能源主要有风能、太阳能、生物质能、地热能等，所对应的发电技术有风力发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术和地热发电技术。但从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增长率达27%。1.1.1 世界能源消费现状当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。世界经济的快速发展使得能源需求快速增长，供需矛盾突出。1995年至2015年期间，全世界对一次能源需求量的增长，将比20世纪80年代缓慢。在21世纪的数十年内，这种趋势将一直保持下去，而能源的利用效率将提高，特别是在工业发达的国家。在一次能源的产量和消耗中，居第一位的仍
13、然是石油，煤炭和天然气分别居第二位和第三位。其中，石油在消费结构中的比重从39.4%下降到35%，天然气的比重从23.7%增加到28%，煤炭的比重从31.7%下降到31.2%，核能的比重从2.3%下降到2.0%。尽管经济合作与发展组织国家对一次能源的绝对需求量将有很大的增加，但这些国家2015年前对能源需求的增长率却相当缓慢。这是因为这类国家的经济发展普遍比较缓慢，并实行了节约能源的政策，而发展中国家的能源消耗量则将增长很快。作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费目前已占世界能源消费总量的13.6%，使得世界越来越将能源话题聚集在中国和亚太地区。国家发展和改革委员会能源研究所指
14、出，三大理由支撑我国大力发展可再生能源。第一，我国能源系统面临严峻挑战。人口多，人均资源占有量少；加上能源利用技术落后，效率低下，能耗高，能源匮乏的威胁可能来得更早、能源供需缺口将越来越大。第二，我国农村小康建设的需要。我国13亿人中农村人口占绝大多数，每年消耗的能量相当大，其中约一半来自可再生能源，但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。同时，我国还有700万户无电人口，无法用常规电网延伸解决用电。第三，保障能源供应安全的考虑。1993年我国成为石油净进口国，2003年进口依存度已经达到36%，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额将进一步增长，预计2020年我国石油对外
15、依存度将达到50%。这对我国能源供应安全构成一定威胁。可再生能源属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，为各种移动设备提供能源，缓解能源供应问题1,2。表 1.1未来世界能源需求 地区2010需求量 比例%2020需求量 比例%2025需求量 比例%北美33.56 29.4737.71 29.2639.62 29.03欧洲33.16 29.4234.99 27.1535.76 26.20亚洲31.77 27.9037.73 29.2740.55 29.71中东5.85 5.146.85 5.317.51 5.50非洲3.38 2.973.98 3.
16、094.30 3.15南美洲6.14 5.397.63 5.928.76 6.42世界113.86 100.00128.89 100.00136.50 100.00随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。太阳能和风能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。进入21世纪，全球可再生能源在不断发展，而在可再生能源中，风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射引起的。风能是太阳
17、能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。据理论计算全球大气中风能总的能量是1017kW，而且是可再生的，估计大约有3.5x1012kW的蕴藏风能可以被开发利用，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、带蜡和安装过程中需要消耗一定的化石能源，进而对环境构成一定的污染，
18、但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。1.1.2 国外风能资源与开发现状2005年世界风电产业蓬勃发展，装机容量达58982MW，亚洲风能发展最快，印度超赶丹麦。风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业，其从业人数己超过23.5万人。2005年12月31日，世界装机容量己达58982MW， 比2004年多11310MW，2004年的装机容量比前年增长8.3GW，而2003年装机容量增长8.1GW。2005年全球风机装机增长率为24%，2004年增长率为21%。根据这种发展趋势，世界风能协会预计2010年世界装机容量将高达120000MW。目前风力发电占全球电量的1%，部分国家及
19、地区己达20%甚至更多。欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。为了应对全球气候变化，欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源，实现温室气体减排。欧洲议会于2001年制定了可再生能源发展指导计划，到2010年可再生能源电力占欧洲电力总供应的12%。2005年欧洲在总装机容量(40932MW)及新增装机容量(6174MW)仍然保持世界领先地位。现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世界最先进的风电技术，和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。20世纪80年代初，丹麦开始发展现代风电，自1959年丹麦的风电产业迅速扩张，装机容量大幅提高。1996年丹
20、麦政府制定21世纪能源战略报告，预计风电发展的目标是到2005年实现装机容量达到1500MW的规模，而事实上，2000年丹麦的风电装机已经达到2140MW，不仅提前完成了2005年的规划目标，而且已经成为世界风电产业的大国和强国。丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业，丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商，大型商业化风力机制造厂家有vestas、Bonus、NEG Micon等，丹麦企业制造的风机约占50%的世界市场份额。20世纪90年代是德国风电迅猛发展的10年，风电装机规模大幅度提高，技术不断创新，成本逐渐下降。截止2005年12月31同，德国装机容量达到1842
21、8MW，比2004年新增1798.8MW，增长10.8%。1998年以后是德国风电高速增长的黄金时期，1998-2002年的短短5年间，风电累计装机台数增长从6000台增长到14000台左右，增长1倍还多，累计装机容量从1998年的3110MW增加到2002年12440MW，翻了两番，增长速度惊人。目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位，其装机容量多年全球位列第一。在美洲，美国的风力发电规模较大。美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。80年代初期，风机占主流的是100KW以下的小机型，目前兆瓦级的风机己成为风力发电机组的主流。2005年，美国装机容量大幅度增加，其装机容量占当前
22、世界风能容量的17%(10036MW)，其中98%的装机容量被安装在北美。美国在扩展生产税信贷范围后，已经成为国际上新装机容量领域的老大，其新增容量为2424MW。其总装机容量为9149MW，排西班牙之后，居世界第三。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，2005年增长率为48%，在7022MW总装机容量的基础上新增装机容量2263MW。亚洲风电产业的主要主导仍是印度。印度早在20多年前就已经认识到可再生能源对印度经济社会发展的重要性，并致力于发展风力发电，特别是这几年，印度风力发电进入了高速发展时期，2005年，印度的风电产业发展超过了丹麦并在总装机容量(4430MW)及新增装机容量(1430M
23、W)方面均为世界第四。表 1.2 截止2007年底累计风电装机容量前九名国家排名国家累计装机容量1德国2230万KW2美国1690万KW3西班牙1470万KW4印度780万KW5中国590万KW6丹麦310万KW7意大利270万KW8法国250万KW9英国240万KW1.1.3 国内风能资源的开发与现状我国具有丰富的风力资源。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，我国陆地风能资源总储量约32.26亿kW，其中可开发的风能储量为2.53亿kW，沿海水深215米近海区域的风力资源可开发的储量有7.5亿kW，总计为10亿kW，这是10m高度计算的，如果按50m高度计算，则还要增加一倍据国家有关
24、部门最新统计资料，我国的风能资源远高于原来估计的储量。中国现代风力发电技术的开发利用起源于20世纪70年代初，而大容量风力发电技术的应用起始于80年代，其商业化发展则是90年代初期。1994年，电力部发布了风力发电上网有关规定后，并网风力发电技术的发展越来越受到重视。风力发电产业从新疆、内蒙古和东南沿海部分地区起步，到1996年底，已初具规模，风力发电装机容量达到了60MW。近十几年来，在国家有关部门的大力支持下，我们风电产业获得了很大的发展，特别是2005年2月28同全国人大常委会表决通过了可再生能源法后，2006年1月1日起实施的中华人民共和国可再生能源法将制定我国可再生能源总量目标制度；
25、可再生能源并网发电审批和全额收购制度；可再生能源上网电价与费用分摊制度；可再生能源专项资金和税收、信贷鼓励措施等，这必将大力促进包括风能在内的可再生能源的发展。截止2005年12月31日，我国除台湾省累计风电机组1846台，装机容量1260MW，共有风电场62个。与2004年累计装机容量764MW相比，增长了65.5%。2005年风电上网电量约为15.3亿KWh。我国能源发展规划，到20l0年和2020年风电的发展目标分别为500万kW和3000万kW。按此规划计算，从20062020年平均每年装机约190万kW，投资约152亿元人民币，其中购买风力发电机组的投资约95亿元人民币。而3000万
26、kW占当时全国总电力装机的3%，风电电量只占1.5%。据有关单位的初步预测，2020年以后，风力发电将在能源供应和减排温室气体方面起显著作用，届时风电成本将“十分接近”常规电源。2020年以后发展风电的主要目的是尽快培育出本国的风电设备制造产业，以满足风电市场快速增长的需求3,4。1.2 风力发电技术现状及发展现代风力发电技术涉及空气动力学、机械传动、电机学、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。风力发电系统是由风力发电机组、控制装置、监测显示装置等组成。1.2.1 风力发电技术现状在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有：(1)定桨距风力发电技术定桨距风力发电机组的主要结
27、构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负载)的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械
28、刹车，就会对整机结构强度产生严重影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题：20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距(失速型)风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术。(2)变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器
29、将叶片节距角置于0。附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速度变化仍然是无能为力的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速
30、的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还
31、是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来蜕，具有明显的优越性。(3)变速恒频发电技术变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，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，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。
32、在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。目前具有变速恒频发电技术的机组主要有：双馈型风力发电机组，无刷双馈发电机组，高速同步发电机组，低速永磁直驱发电机组。本文主要讨论永磁直驱风力发电机组5。1.2.2 风力发电技术的发展(1)单机容量增大在过去20年中，风力机的典型装机容量从50kw增加到1000kw以上。随着技术逐渐成熟，多样化的设计概念也逐渐走向统一。由于风力场中所采用的大的风机比小的更加经济，因而
33、风机的容量不断增加。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力发电机单机容量不断向火型化发展。兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流产品。美国己经研制成功7MW风力机，而英国IF在研制10MW的巨型风力机。目前，变速变桨型双馈式3MW风电机组己经商业化运行。而且，随着风机容量的增大，其中必然要采用一些新的复合材料和新的技术。大型机器更适合滨海风力场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽，滨海风力场在未来的风能开发中将占有越来越重要的份额。(2)风机桨叶的变化单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2MW风机叶轮扫风直径己经达72m。目前最长的叶片己经做到50m以上。现有的大部分
34、风机都具有3叶片，只有极少数风机还只有2个叶片的类型，而且这种风机的数量还在进一步减少之中。风机技术现已是足够成熟，机器的可靠性极高，可利用率通常在9899之间。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组的特性，而风电机组的风轮直径与额定容量并不是一一对应的。(3)塔架高度上升在中、大型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平坦地带的风机，在50m高度捕捉的风能要比30m高处多20%。(4)控制技术的发展尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近几年来变速恒频风机得到
35、了快速发展，并成为市场的主流技术。同时，随着全功率变流技术正在兴起，无齿轮箱系统的市场份额也在迅速扩大，其取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率交流电输出。由于它被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大大地提高了捕捉风能的效率。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风电机要比恒速风电机多捕获15的风能。同时，由于机舱质量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风机的支撑结构减轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低。这
36、是一种很有发展前途的技术。(5)海上风力发电发展海上风电场也成为新的大型风机应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在计划较大的海上风电场项目。由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用小时数为2000h，好的为2600h，在海上则可达3000h以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为38m处，同容量装机，海上比陆上成本增加60(海上基础占23、线路占20；陆上仅各占5左右)，电量增加50以上。1.3 主要研究内容第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前景。简单介绍风力发电技术的现状及其发展。第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力
37、发电系统的一些重要特性参数及其特性，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析比较了采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法。并提出在实验室条件下应用叶尖速比控制进行仿真分析。第四章中为验证风力机的最大功率跟踪控制方法，在MATLABSIMULINK中搭建了包括风轮气动系统模型、发电机模型和控制系统模型在内的1.5MW永磁直驱风力发电机的模型，通过仿真验证了控制效果。第五章总结文章所做的工作，并提出了不足。第二章 风力发电系统介绍2.1 风力发电系统的总体结构风力发电机组的整体结构示意图如图2.1所
38、示。主要的部件包括风力机、永磁同步发电机、测量与控制系统、功率变换器等。风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件，风以一定的速度和功角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而直接驱动永磁同步发电机发电机。发电机发出的电能经过电力电子变换器输送到电网。本文只介绍风力机和发电机。图 2.1 风力发电系统示意图2.1.1 风力机风力机是风电机组的最主要部件之一，是由桨叶与轮轴组成，桨叶具有良好的空气动力学外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。所以它不仅决定了整个风力发电系统有效功率的输出，还直接影响机组的安全稳定运行。在
39、理论上，最好的风轮也只能将约60%的风能转换成机械能。在目前风力机主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机。本文主要研究的是采用定桨距，变转速发电机的变速风力发电系统。 在目前风力机按照风轮旋转轴在空间的方向，可分为水平轴风力机(水平轴)和垂直轴风力机(立轴)两大类，其中水平轴风力机设计制造技术相对成熟，是目前风电市场中最常用的机型(约占现有的97)。但是立轴风力发电机极大地克服了平轴机结构上固有的缺陷。故而形成开发新型高效风力机的主要技术趋势。水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时风轮的旋转平面与风向垂直。垂直轴风力发电机组的特征是旋转
40、轴与地面垂直，风轮旋转平面与风向平行。和水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组的传动机构和控制机构装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。水平轴风力发电机组叶片的尖速比高，一般在57左右，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机叶片的尖速比要小得多，低转速基本上不产生气动噪音，垂直轴风力发电机可以应用在以前因为噪音问题不能应用水平轴风力发电机的场台(如城市公共设施、民宅等)。此外，风力机又有定桨距和变桨距风轮之分。其中定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮彀的连接是固定的，即当风速变化时，将叶的迎风角度不能随之变化。本文主要讨论定
41、桨距风力机。2.1.2 发电机在风力发电系统中，发电机及其控制系统承担了风力发电系统的能量转换任务。它不仅直接影响这个重要转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。风力发电机组中的发电机分为直流发电机和交流发电机。其中交流发电机主要分为同步发电机、异步发电机(或称为感应发电机)和永磁式发电机3种机型。独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给，主要目的是通过控制励磁、转速和功率变换器来产生恒
42、压的直流电和恒压恒频的交流电。永磁同步发电机具有许多优点：由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。采用稀土永磁体后可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高：处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。永磁同步发电机没有励磁损耗和电刷滑环间的摩擦、接触损耗。与凸极式交流同步发电机相比，同等功率的稀土永磁发电机的总损耗大约要小1015。美国通用电器公司研制的一台150kVA、切向磁化结构的永磁发
43、电机，在1200rpm状态满载运行时，效率仍可保持在89.2。稀土永磁发电机不仅效率高，而且其高效率段比较宽，在负载变化范围较大时，仍能有较高的效率。这是因为常规的绕线式同步发电机当负载增大时，阻抗压降和电枢反应的影响大，端电压下降厉害，为保持发电机端电压恒定，只能增加励磁电流来提高气息磁密，这样就使得铁损耗和励磁损耗明显增大，而稀土永磁发电机由于稀土永磁体高内禀矫顽力的特点，使得电枢反应的影响很小，负载变化时，气隙磁密变化很小，铁耗可以当作不变参数来看6。此外永磁同步发电机适用于小型直驱式风力机，不需要外加变速装置；稳定性好，易于操作与维修成本低；无电刷式转子，坚固耐用等。本文所研究的风力发
44、电系统采用的就是永磁同步风力发电机。2.2 风力发电系统的理论基础2.2.1 风能的计算由流体力学可知，气流的动能为： (2.1)式中：气流动能: 气流质量：气流速度设单位时间内流过截面积为的气体的体积为，如果以表示空气密度，则该体积的空气质量为 (2.2)这时气流所具有的动能为 (2.3)式中：风能：空气密度：截面积：气流速度 由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。 2.2.2 风能的贝兹理论贝兹理论是在假定风轮是“理想”的基础上建立的，这种“理想”的风轮全部接收风能，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的
45、，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的7。设风轮前方的风速为，为实际通过风轮的风速，为叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前的风速面积为，叶片扫掠后的风速面积为，风吹到叶片上所作的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必须 ， ，。如图2.2所示：图 2.2 贝兹理论计算简图于是，风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 (2.4)式中：作用力：空气密度故风轮吸收功率为 (2.5)此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为 (2.6)令，可以得到 (2.7)因此，风作用在风轮叶片上的力和风轮输出功率分别为 (2.8) (2.9)风速是给定的，的大小取决于，是的函数，对微分求最大值，得 (2.10)令，解方程得，将其带入的表达式，得到最大功率为 (2.11)将上式除以气流通过扫掠面时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率(或称理论风能利用系数)为 (2.12)这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率
