小型风力机并网逆变装置的设计(共67页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上小型风力机并网逆变装置的设计摘要风力发电是一种新型的绿色能源，正成为世界各国争相开发的新技术领域。随着工业的发展，电力紧缺及供电环境问题日益突出，利用可再生能源-风能，作为未来最重要的清洁替代能源，对于缓解能源匮乏具有非常重要的意义。随着2006年我国可再生能源法的颁布，我国的风力发电产业有了迅猛发展，2006年我国新增风电系统装机容量位居世界第五，总装机居世界第六，世界风电机装机总容量己达到了74223MW。风力发电属可再生能源发电技术，使我国“十一五”重点支持的可再生能源发电技术之一，对我国国民经济的可持续发展具有重要意义。本文主要研究内容如下: 1、对小型风力发

2、电机的整体系统进行设计，并以整流器和并网逆变器为重点。整流器采用电压型三相桥式PWM整流，并网逆变器采用电压型三相桥式PWM变流。 2、整流部分采用直接电流控制中的电流滞环比较方式的控制策略；逆变部分采用PWM双极性控制、异步调制和同步调制相结合的方法，并加入PID数字化控制。关键词：风力发电、整流、逆变、并网逆变专心-专注-专业Small wind turbine grid inverter designAbstractWind power is a new type of green energy, is becoming the worlds countries are scrambli

3、ng to develop new technology. With industrial development, electricity supply shortages and environmental issues become increasingly prominent, the use of renewable energy - wind power, as the next most important clean alternative sources of energy, to alleviate the energy shortage of great signific

4、ance. . With China in 2006Renewable Energy Law， the promulgation of Chinas wind power industry has been rapid development in 2006 Chinas installed capacity of new wind power system, the fifth highest in the world, with a total installed capacity ranks sixth in the world, the World Wind Electric inst

5、alled capacity has reached 74223MW. Wind power is a renewable energy power generation technology, so that Chinas Eleventh Five-Year key support for renewable energy generation technologies for the sustainable development of Chinas national economy is important. This paper reads as follows: 1, for sm

6、all wind turbine systems overall design, and rectifier and inverter for grid focus. The use of three-phase rectifier bridge voltage-type PWM rectifier and inverter network using three-phase bridge voltage-type PWM converter. 2, rectifier direct current control part of the current hysteresis control

7、strategy comparison; inverter parts bipolar PWM control, asynchronous and synchronous modulation method of combining modulation, and to join the digital PID control.Key words: wind power, rectifier, inverter, inverter grid目 录第一章 绪论1.1 引言能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。能源利用技术的每一次重大突破，都曾引起生产力的巨大发展，促进人类文明水平的提

8、高，促进社会向前发展。但是，人类所能够利用的化石资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按照目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明能量预测仅能开采30年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，人们对能源需求也在不断增长，近年来平均以5%的速度递增，造成能源供需矛盾的加剧。另外，常规能源的大量开发和应用，还会给世界环境带来沉重的负担。这一系列问题都使得可再生能源的研究在全球范围内升温。而风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。风能利用是世界上增长最快的能源之一，有其自身独特的优越性

9、，主要表现在以下方面：(l)风能是一种洁净的自然能源，不存在燃煤、燃油的环境问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。(2)风力发电场建设周期短，装机规模灵活。建设一般规模的风力发电场，从基础建设、安装到投产，只需半年至一年的时间，而火电、油电、核电约需3-10年的时间。(3)风力发电的经济性日益提高。随着风力发电技术的不断成熟，风电成本呈下降趋势，为风电的大规模应用提供了基础。(4)风力发电在新能源发电中技术最为成熟，商品化机组单机容量达4.5MW，故障率己降至5%之内，是一种安全、可靠的能源利用形式。在不久的将来，兆瓦级风力发电机将占主导地位。(5)风力发电机分散安装，占地

10、面积少，监控系统与塔架合为一体，加上箱式变压器，其建筑面积约为风电场总面积的1%，其余广大土地仍可供农、林、牧使用。由于风力发电机单机容量越来越大，制造成本不断降低，商业化机组已有10余年良好运行的记录。截止2005年底，全世界己投入运行的风力发电量达到59322MW。随着风电技术的日益完善，风力发电必将成为今后能源发展的趋势。1.2 国内风力发电的现状及趋势1.2.1 我国风力资源我国风力资源十分丰富，主要集中在两个带状地区，一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”，其风能功率密度在200-300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等，

11、这些地区可利用的风能在5000h/a以上，有的可达7000h/a以上。从新疆到东北，面积大、交通方便、地势平，风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个，这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少，发出的电上不了网。另一条是“沿海及其岛屿地丰富带”，其风能功率密度线平行于海岸线。沿海岛屿风能功率密度在500W/m2以上，如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵘泅、南澳、马祖、马公、东沙等岛屿，这些地区可利用的风能约在7000一8000h/a，年有效风能功率密度在200W/m2以上。“沿海岛屿的风能是全国最好的，这个地带的优点是建网好，电价高，缺点是地形复杂，且容易受台风影响。目前我国

12、初步探明的陆上可开发的风能资源达2.53*108kw，加上近海全国可开发的风能资源估计在10*108kw以上，其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为2143*104kw、2421*104kw、3433*104kw和6175k*104w，是中国大陆风能储备最丰富的地区。资料显示，我国的风能资源储量居世界首位，而且商业化、规模化的潜力很大。1.2.2 我国风力发电状况我国风电起步不晚，但步伐迟缓，至今没有取得突破性进展，和世界风电发展的差距却在加大。存在着规模偏小、产业化程度低、发电成本高、专业化人刁稀缺、研发力量薄弱、核心技术落后、市场发育幼稚等软肋。早在1995年，原国家电力部就提出

13、，到2000年我国风机规模要达到100*104kw，但截至2004年底，总装机容量为76.4*l04kw，仅占全国电力装机的0.14%，远远落后于世界风电产业的发展水平。尽管全国已建有43个风电场，分布在14个省、市、自治区，但平均每个风电场的装机容量不足1.5*104kw，远未形成规模效应。此外，我国风力发电机的设计制造水平也较落后，国内目前能生产的最大单机容量只有750kw。己成为国际主流机型的MW级机组在我国尚处于研制阶段，目前大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。我国风电开发甚至还赶不上印度，目前印度的风电装机容量有211*104kw，大大超过我国。内蒙古在开发利用新能源风力发电过程中

14、吸收和消化国外先进风电技术，积累了较为丰富的风电场生产、维护经验，具备了建设和管理大型风电场的能力，已经完成了由试验型向生产经营型的转变。风力发电正在成为内蒙古能源基地的一个重要部分，发挥合理配置资源、改善电源结构、节能环保的作用。资料显示，到2005年，我国规划风电装机容量将达到100*104kw，到2010年达到400*104kw，到2020年达到2000*104。可见，中国风电的前景是广阔的，而时间也是紧迫的。1.3 全球风力发电现状及趋势1.3.1 全球风力发电现状19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。风力发电在解决发展中国家无电农牧区居民

15、的用电方面起到了重要的作用，20世纪初，有些国家和地区开始研究风力发电，为风能的利用开辟了更为广阔的前景。例如1941年，美国在巴蒙特州研制并建立了一台当时世界丘最大的风力发电机，风轮的直径为53m，塔高34m，发电能力为150OkW。到50-60年代，西欧各国开始制造大型风力涡轮发电机，从70年代初，世界上许多地区研究和安装了超大型风力发电机。风力发电的发展在世界工业史上历程很短暂，但它迅猛发展的速度。技术上的巨大进步不能不让人惊叹。特别是自20世纪90年代初以来，现代风能最主要的利用形式风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%。有人算过，只需地面风力的1%，就能

16、满足全球发电能量需要。由此可见，风力是一个相当巨大的电力能源宝库。尽管达到地球的太阳能仅有2%转化为风能，.但其总量十分可观。全球可实际利用风能为2*107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据有关资料统计，到2006年世界风电机装机总容量已达74223MW。风力发电机组是风电系统的关键设备，很多国家为此进行了大量投资，就风轮机的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究。其技术也取得了长足的进步。主要表现在:单机功率逐步增大。80年代中期，商品化机组的单机功率只有55kw，目前，单机功率已上了MW级，IMW以下的并网风力发电机组单机技术已经成熟;由于控制技术的改进、

17、设计水平的提高以及新型材料的运用，机组功率曲线改善，运行可靠性不断提高，故障率显著下降;运用先进的计算机控制技术，能实现对机组的远程集中监控和通信，从而可做到无人值守运行。风电的快速发展和技术上的突破是分不开的。风机的单机容量己从60OkW发展到2000-5O00kW，如德国已批量安装了单机5000kw的风机，丹麦己批量建设了单机容量2000-2200kw的风机。另外，可变桨翼和双馈电机的采用，使机组更能适应风速的变化，大大提高了效率。最近又发展了无齿风机，进一步提高了安全性和效率。1.3.2 风力发电机国内外研究现状尽管全世界风力发电增长幅度很大，但是各个地区的发展并不平衡。使人们普遍接受风

18、力发电的办法之一是继续降低风力发电的成本。为了普及风力发电，就必须加强风力发电的研发工作，降低风力发电的成本，提高风力发电的稳定性。我国风力发电起步较晚，但发展较快。自80年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电技术在80年代中期开始进行试验、示范，经过多年努力，现在逐步转向规模开发。目前我们己掌握600KW定桨距失速风电机组的组装技术和关键部件，已经实现了国产化批量生产，750KW失速型风电机组的产品化20世纪初，法国出现了第一台用现代快速叶轮驱动的发电机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。国际能源署统计全球风

19、力发电机总安装容量从1990年的2000兆瓦增加到2005年底的60000兆瓦。日前，德国的总装机容量己达到21000兆瓦，超过了美国跃居世界首位。到21世纪初，风能依旧是世界上发展最快的能源。 “十一五”期间，还拟研制容量更大的新型变速恒频风力机。2005年底全国风力发电机组装机容量己经超过120万千瓦。风力发电机组的装机容量的预测和实际数据都表明，我国风力发电己进入快速发展阶段。1.3.3 风力发电机组技术发展趋势目前，风力发电技术日益成熟，且形成富有活力的新兴产业，有以下几个方向的发展趋势：(l)新型、高效率、高可靠性风力发电机组不断推陈出新，高技术含量不断增加。从空气动力学的应用来看，

20、风机风轮叶片的定桨距调节或称失速调节、变桨距调节及主动失速调节并行发展，使风能的利用率得到提高;从电力电子技术与发电机技术结合上来看，新型双速异步发电机、变滑差异步发电机、双馈发电机、低速永磁发电机、高压发电机以及同步发电机与交一直一交变频系统或交一交变频系统组合应用的相继出现，提高了风力发电机组的效率及技术;从风力发电机并入电网的技术方面来看，异步发电机软并网，同步发电机经变频器并网，使得并网的可靠必得以提高，减少了对电网的干扰。(2)并网风力发电机组单机容量逐步增大，风电工业的生产规模日益扩大。进入上世纪90年代以后，并网风力发电机的容量向大型化的发展异常迅速。风力机的尺寸和输出功率也迅速

21、增大。目前兆瓦级风力发电机也己研制成功，并投入商业化运行。(3)风电成本呈下降趋势。新型、高效、大型机组的研制成功，产业化、规模化、商业化生产的日趋完善与扩大，为降低风力发电成本及电价提供了基础。事实证明，风力发电机组的单位千瓦造价和风力发电的电价逐年都有较大降低，这正说明了风电与常规能源发电的竞争中地位逐步增强。(4)由陆地风电场向海上风电场发展。海面气流流动速度比在陆地上快，而且平稳，还有海上风电场机组运转时发出的噪音远离居民地，噪音干扰少等优点，使得风力机不仅在陆地上发展，而且可以向海上发展。1.4 风力发电的优势目前，风力发电的优势主要体现在以下几个方面：(1)风电是可再生无污染资源。

22、风能最大的优点是可再生无污染，一台单机容量为1000kw的风机与同容量火电装机相比，可减排2O00t/a二氧化碳、10t/a三氧化硫、6t/a二氧化氮。(2)近10年来风电的国内外电价呈快速下降的趋势，并且在日趋接近燃煤发电的成本，已经凸现经济效益。从可利用风能资源占全国40%的内蒙古风电多年的实践看，我国风力发电已完全具备了走向产业化的基本条件。内蒙古风力发电设备成本己由10000元/kW降至7000-8000元/kW，风电的含税还本付息成本价也降至0.5元/kW以下。所以从经济成本的角度核算，我国风力发电的产业化条件已经成熟。(3)我国风能资源非常丰富，而且风电技术已经成熟，随科学技术的发

23、展，可利用的风速要求还会降低。(4)风电能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，风电的一个重要特点就是上马快，建设周期短，只要把设备立起来就能发电;单台发电设备投资不大，建设有灵活性。不像火电、水电的建设需要用年来计算，在有风场数据的前提下建设只需要以周、月来计算。(5)风电还能够有效地遏制温室效应和沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。(6)风电是解决边远农村独立供电的重要途径。1.5 本章小结本章将可再生能源的利用现状和发展趋势以及发展风力发电的优势和意义做了全面的介绍。主要论述了风能在国内外的发展状况，从发展趋势来看，风能能将是21世纪最有发展前景的绿色能源，是人类社会可再生发展的主要新动力源。

24、第二章 风力发电系统的结构及原理2.1 引言风的特性是随机的，风向，风速大小是随机随时在变化，因此风能发电就有区别于化石燃料发电的不同特点。例如：功率调节、变速/恒频问题等。2.1.1风力发电装置下面主要以水平轴风力机为例来简述风力发电，如图2.1所示。水平轴风力发电装置一般由以下几个部分组成：风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航系统、调向机构、调速机构、停车机构和塔架等附属设备。（1）风轮风轮是风力发电机最重要的部件之一。风力发电机就是依靠风轮把风所具有的动能有效地转化为机械能并加以利用的。风轮使空气运动的速度减慢，在空气动力的作用下风轮绕轴旋转并将风能转变为机械能。水平轴风力发电机的风轮通常由几

25、何形状一样的两个以上叶片组成。叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶片。从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片、复合材料叶片等。风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到风力机驱动的对象。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需有足够的强度。有些风力机采用定桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。多年来风力发电机组的风轮大都采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构，即所谓定桨距风轮。定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的联接是固定的，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

26、风速高于设计点风速即额定风速时，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都是有限的。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。近年来，随着风力发电机组设计水平的不断提高，在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组（1000kW）的设计中，开始采用变距风轮，即变桨距风力发电机组，桨叶与轮毂不再采用刚性联结，而通过可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的回转支撑联结。变桨距风轮起动性能好且输出功率平稳。（2）增速齿轮箱当风力机驱动发电机时，通常发电机的额定转

27、速要比风力发电机的风轮转速高很多，这时风轮必须通过增速机构来带动发电机，但也有些风力发电机不包括变速齿轮箱。（3）发电机因为风速是不稳定的，所以发电机常处于负载不稳定状态，极端时发电机严重过载，对于并网型风力发电机还要处于频繁的投、切(并网和脱网)换过程中，所以对于风力发电机用发电机还要有一些特殊要求。因感应发电机结构紧凑，价格便宜，并网方法简单，并网运行稳定，在风力发电机中得到最为广泛的应用。（4）偏航系统由于风向是不断变化的，为了使风轮旋转平面始终正对风向，提高风能利用率，就需要一套对风装置，即偏航系统。（5）塔架由于地面的剪切效应，在地面附近的风速是很小的，越高风速越大，所以需要一个塔架

28、将风力机支撑到一定高度，塔架不但承受着整个风力发电机组的重量，还承受着很大的弯矩，所以塔架也需要进行特别设计。风力机的塔架除了要支撑风力机的质量外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动特性有密切的关系，特别对大、中型风力机的影响更大。一般由塔管和34根拉索组成，高度6m9m。由于风力发电机的工作条件非常恶劣，有时风速很小，有时风速非常大，极端时发电机严重过载，所以就需要对发电机进行控制，使其安全运行或停机。（6）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，在小型风力机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着

29、风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为既要防止过快的转速对风轮和风力机的其他部件造成损坏， 还要把发电机的功率输出限定在一定范围内。目前小型风力机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下，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，另外在实践中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，从而达到停机的目的。图2.1 风力发电机结构原理图2.1.2 风力机的分类随着风力发电技术的发展，风力机无论是在性能上还是结构上都有了

30、很大程度的提高。风力机的种类繁多，根据风轮的结构以及其在气流中的位置大体上可分为两大类:一类为水平轴风力机，一类为垂直轴风力机。当前，为风电界看好的机型是水平轴风力机。 图2.2 水平轴风力机图2.3 上 风 向 图2.4 下 风 向水平轴风力机在运行时，风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直，如图2.2所示。水平轴风力机又可分为升力型和阻力型，升力型旋转速度快，阻力型旋转速度相对较慢。这种风力机根据风轮与塔架之间的相对位置又可以分为上风向和下风向风力机，如图2.3、2.4所示。对于上风向水平轴风力机，风是先通过轴，然后再吹过塔架，所以叶片前的风没有受到遮蔽。但是，上风向的风机需要安

31、装有着敏感监测仪器和控制系统的驱动装置，来保持风力机轴向和风向的一致。相反的，下风向的风力机可以通过自然风的吹动来调整轴向相对于塔架的位置，因此，它不再需要特殊的机械驱动和检测设备。但是，下风向风力机的每个叶片都要通过塔架后方的湍流风区，因此造成的机械的冲击会缩短转子的寿命并且会产生噪音。垂直轴风力机运行时，其风轮围绕一个垂直轴旋转，它将会接受来自任何方向的风，发电机可以被安装在底部，叶片上主要的机械负载是张力。相对于水平轴风力机而言，这是它的一大优点。而它的缺点是只有在叶片横切风向移动时才产生空气动力力矩，这会导致转矩脉动，这种风机不能自启动。因此其尖速比较低，这样提供的输出功率也较低。最主

32、要的问题是这种长而薄弱的叶片将遭受不同方式的震动而使叶片的寿命缩短。根据风轮的叶片数来分，风力机又可以分为单叶片、双叶片、三叶片以及多叶片风力机。虽然存在许多叶片风力机，但是目前由于经济因素决定了直径达到15m的风机宜采用三叶片风力机，对于直径大于30m的风力机采用双叶片风力机比较好。直径处于15m和30m之间的风机，需要再考虑些别的因素。还要注意到，三叶片风轮对调向转动轴的转动惯量是不随风轮叶片位置的变化而改变的，而双叶片风轮对调向转动轴的转动惯量在风轮叶片水平与垂直时分别达到最大和最小值。对于高的转动率，双叶片风轮主轴上的回转惯量会大范围的波动。目前用于并网发电的风力机，普遍是水平轴风力机

33、。垂直轴风力机只占到已安的商用风机的3%。2.2 风力发电技术风力发电能量转换过程是：风能-机械能-电能。风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现由机械能向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。本文所研究的是独立运行的风力发电系统，最后产生的电能供用户使用2.2.1 风力发电的工作原理风力发电是利用风力机将风能转化为机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风力发电系统是把风能转化为电能的装置，主要由风力机(风能转化为机械能再转化为电能)、整流器、

34、控制器、蓄电池、逆变器、泄荷器等部分组成。图2.5为风力发电系统原理示意图。图2.5 风力发电系统原理示意图（1）风力机是对风能-机械能-电能转换的装置，其工作原理如风力发电过程。（2）整流器 风力机发出的是交流电，但是不稳定都需要整流，通过整流转换成满足系统要求的稳定的直流电。（3）蓄电池 多采用汽车用的铅酸电瓶，近年来国内有些厂家也开发出了适用于风能应用的专用铅酸蓄电池。小型风力发电机各部件的匹配风力机发出的电储存在蓄电池中，通过逆变器向用电器供电，因此风力机、蓄电池、逆变器的能力要互相匹配，同时要与用电器的功率和耗能相匹配。选配蓄电池除了要考虑将平均每天发电量存入蓄电池，另外要考虑在无风

35、时，能够保证一定时间内正常供电。蓄电池容量太小，供电保证率低；同时蓄电池经常处于过充放状态，蓄电池的使用寿命会降低；蓄电池容量太大，支出费用高，造成不必要的浪费。（4）控制器 控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电，使其不至于过充放，以保证正常使用和整个系统的可靠工作。（5）逆变器逆变器是把直流电(12 V、24 V、36 V、48 V)变成220 V交流电的装置。选配逆变器，主要考虑以下三点：额定功率应大于所有用电器额定功率并应留有一定余地，以便今后增加用电器。由于许多用电器的起动功率大大高于它们的额定功率，因此逆变器的峰值功率的大小和持续时间应满足这些电器起动的要求；根据逆变器效率曲

36、线，选择适合自己的逆变器。逆变器效率是一条随功率变化的曲线，厂家有时按最高点(如80%额定功率处)给出最高效率，但系统大多时间不工作在这一点。如一个500 W的逆变器要带小冰柜和彩电等，大部分工作时间是在200 W(40%)左右工作，则逆变器的效率偏低，将大量浪费能源；考虑逆变器的波形，有些劣质逆变器带有大量谐波，会对电视、录音机等电器造成干扰，影响收看、收听效果。这些谐波也会造成冰柜的电机过热，影响它的使用寿命。（6）泄荷器风力发电一般不能开路，否则风力容易造成飞车，由于电压过高使电机损坏，为保护电机，当蓄电池已被充满且系统的发电量仍大于用电量时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，控制器

37、会自动接通泄荷器消耗掉多余的电能。2.2.2 风力发电系统的应用风力发电技术越来越受到世界各国的高度重视。2003年，全球风力发电装机容量达32000MW，我国风力发电过去10年以年均55%的高速增长，到2010年风电装机总容量可达400万kW以上。风力发电的优势有：（1）成本低，可以与核能、煤和燃气在对等的规则下竞争。（2）其动力是免费的、充裕的，且取之不尽，用之不竭。（3）不需要燃料，不会排放CO2。（4）组合式设计，可以迅速安装。（5）不防碍土地的使用，工业和农业活动可以继续在塔架周围进行。 从20年前推出的样机开始，风电技术经过长期发展的历程，今天的发电机组己经成为先进的现代高新技术。

38、当前一台风电机组，比20年前的机组功率大200倍，现代的风电发电厂生产出来的电量之大，相当于常规电厂。要以最低的成木生产出最多的电能，风力发电系统正在不断的改进，其中电力电子设备起到关键作用。目前，电力电子设备广泛应用在大、中、小容量的风力发电系统中。图2.6是目前风力发电的两种典型系统的典型设计，都使用低压功率器件(风力发电机组都是690 V的低压机组，没有中高压机组)，电压通过升压变压器升至中压水平，在海上应用中，为了远距离输电，电压被升到输电电压水平(大约69kV)。（a）AC/DC/AC方式(b）AC/AC方式图2.6 风力发电中两种典型系统（a）同步发电机交流-直流-交流系统 其中同

39、步发电机可随风轮变转速旋转，产生频率变化的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流进行控制。发电机发出的频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。所用的电力电子器件可以是二极管、晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。除二极管只能用于整流电路外，其他器件都能用于双向变换，即由交流变换成直流时，它们起整流器作用，而由直流变换成交流时，它们起逆变器的作用。(b)绕线型感应电机交流-交流系统 变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备装置。半导体开关器件采

40、用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。由于电力变换装置处在发电机的转子回路，其容量一般不超过发电机额定功率的30%。这种系统由于电力电子变换装置容量较小，很适合用于大型变速/恒频风电系统。1）恒速/恒频风力发电系统恒速/恒频发电系统一般采用普通的同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速的转速运行。这种风电机组的发电机正常运行在超同步状态，转差率s为负值，电机工作在发电机状态，且转差率的可变范围很小(s5% )，风速变化时发电机转速基本不变，所以称之为恒速/恒频风电机组。恒速/恒频风电机组一般很少

41、采用电力电子变换器装置。其定桨距失速调节的风力机结构简单，整机造价低，安全系数和可靠性较高，在风力机的市场上占有较大的份额。恒速/恒频风力发电系统中，多采用直接驱动同步发电机或鼠笼式异步电机作为并网运行的发电机，并网后定子磁场旋转频率等于电网的频率，而异步电机的转差一般为3%5%，所以转子本身的转速变化范围也很小，故称之为恒速/恒频风力发电系统，如图2.7示。自然风吹动风力机，经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。图2.7 恒速/恒频的风力发电系统原理框图2）变速/恒频风力发电系统变速/恒频风力发电系统的技术特色是发电机和变流技术，它需要变速运行，导致电气控制系统复杂，整机造价高。与恒

42、速/恒频发电系统相比较，变速/恒频发电系统的机械部分的成本投资可减少10%20%，电气部分的投资有较大增加，但电气部分的成本在大、中型风力发电机组中所占比例不大。近年来，大规模电力电子技术日趋成熟，变速/恒频风力发电系统也成为发电设备的主要选择方向之一。变速/恒频风力发电系统主要有两种类型，一种是风力机直接驱动同步发电机，一种是双馈型异步发电机。其中风力机直接驱动同步发电机构成的变速/恒频风力发电系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统。异步发电机系统主要是绕线转子异步发电机系统。永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机变速/恒频风力发电系统是

43、通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频/恒压交流电。其典型结构如图2.8所示。图2.8 永磁多极同步发电机风电机组原理框图采用电励磁的同步风力发电系统如图2.9所示，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。图2.9 电励磁同步发电机风电机组原理框图采用绕线式异步电机的变速/恒频风力发电系统(双馈风力发电系统)其典型结构框图如图2.10所示。这是一种比较合适的变速/恒频方案，该结构定子绕组和电网直接相连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，交流励磁控制通过变频装置向转

44、子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。图2.10 双馈异步发电机风电机组原理图2.2.3风力机对发电机及发电系统的一般要求风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务，它不仅直接影响这个转换过程的性能、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技术的一个重要部分。在考虑发电机系统的方案时，应结合它们的运行方式重点解决

45、以下问题：（1）将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电或三相交流电；（2）高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本；（3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。2.3 影响风力发电技术发展的因素（1）噪声、景观 噪声、景观问题是影响部分国家风电发展的一个重要原因，如法国与西班牙风能资源丰富，而法国的风发电能力还不足100MW。主要原因是这些国家对风能发电的宣传力度不够，公众对风能发电破坏风景和产生噪声的问题不清，产生误解，从而影响政府决策。（2）风电成本 1998年，欧洲风轮直径为45m风力机（额定功率位600kW）

46、的满功率发电小时数约2500h，发电成本测算为0.43元/（kWh）。 国内风电成本测算得到的风电表态平均财务成本，在还本付息期间内（17年），风电平均成本为0.551元 /（kWh）。目前风电的使用期，平均总成本费用接近新投资的水电和火电，但为了偿还贷款，在还贷期内的上网电价仍比常规电厂高出许多，因此，还需要政府支持和激励政策。（3）环境影响 在风电机制造过程或风电场土建施工中，没有特殊要求的材料和加工工艺。丹麦生产的大型风电机，其制造过程中所消耗的能源在投产运行后34个月内即可补偿。现代风电机的设计寿命是2030年。风电机报废后，可按常规方法处理。风电机在制造和运行过程中不排放任何有害物质

47、，因此对健康和生态没有不利影响。风电对减排CO2贡献取决于它所替代的电量是用何种化石材料生产的。丹麦BTM咨询估计2005年当风电占世界总发电装机的10%时，可减排CO2 。（4）实施障碍 开发风电最主要的是环境效益，需要具体的立法支持，把可再生能源的开发当成为一项国民社会义务。 风电上网电价过高问题 国内的实际情况是风电场很难保证投资者的利益及鼓励风电场建设的积极性，简单的办法就是给风电定一个较高的上网价格，确保风电场投资者或开发商能偿还贷款及利息。 政策问题 税收方面只实现优惠关税政策，以推动风电机进口，而仍没有任何关于风电增值税和所得税方面的优惠措施。风电没有火电的燃料进项抵扣，实际缴纳的增值税比火电高。银行方面没有低息长期贷款，在7年的还贷期内，风电上网电价很高。而风电高于火电的价差，目前规定在省级电网内分摊，造成开发风电越多负担越重。西部经济落后地区，如新疆和内蒙，已难以承受，没有风能资源的省区却无需负担。体制问题 在目前体制下，如果缺少当地电管部门的支持，风能很难得到大规模发展。在风力发电行业内部，还没有建立起有效的市场竞争机制。现在没有足够投资的原因，不是由于资金有限造成的，很大程度上是缺乏相应的投资政策和法规。目前，风电的作用不是为满足电量需求，而是提供了一条减排CO2等温室气体比较经济的手段。在常规能源并不短缺的情况下，只有减排压力加大，风力才能得到更快的发