离网式 风力发电系统设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流离网式 风力发电系统设计.精品文档.小型风力发电系统设计摘 要 人类进入到二十世纪以来，快速发展的经济对能源的需求日益增加，不可再生资源的储量越来越少，能源危机日趋严重。风能作为一种清洁、高效的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电技术真正实现了能源的可持续发展。 本文综述了风力发电及其控制技术的发展状况，论述了小型风力发电系统的基本组成、工作原理及风力机、发电机、蓄电池等各组成部分的运行原理；在分析现有结构的基础上，提出了包括不可控桥式整流器和Buck变换器的系统结构。 这种结构有利于实现负载跟踪和充放电集成控制，且具有结构简单、可靠性高

2、等优点；给出了支持功率控制策略且结构简单的小型风力发电系统结构，它包括风力机、永磁同步发电机(PMSG)、二极管整流桥、Buck变换器、蓄电池、逆变器和控制器；在分析风力机、负载和蓄电池工作状态的基础上，提取出集成控制系统的工作模式，给出了基于直流侧电压、电流确定工作模式的检测方法及各种工作模式之间的转换关系；给出了实现集成控制系统工作模式相应的控制策略，主要包括最大功率控制、负载跟踪和蓄电池充放电控制、运行保护控制。 最后，根据风能数据和负载情况的分析结果，设计计算一种小型风力发电系统，包括风力机容量计算、蓄电池匹配计算、逆变器和控制装置的选择等。该系统能够为用户独立供电，也可以作为户外监测

3、装置的永久电源。关键词：风力发电；Buck变换器；空比特性曲线；最大功率控制_Small wind power generation systems designAbstractSince the twentieth century, mankind has entered the rapidly developing economy and increasing demand for energy, non-renewable resources of the reserves less and less, the energy crisis is worsening. Wind power

4、 as a clean, efficient renewable energy more and more attention has been paid, wind energy power technology truly sustainable development.The development situation of wind power generation and its control technologies are summarized.The basic configuration,working principle of small scale wind power

5、 generating system,operation principle of wind turbines,generator and battery etc are discussed in this paper.The architecture of small scale wind power generating systems which is composed of rectifying bridge and buck chopper is put forward by analyzing the existing architecture.It is avail to imp

6、lement integrated control of load power tracking and battery charging,moreover it has simple structure and high reliability.The configuration of small wind power generation systems with simple structure which consists of wind turbine,PMSG,diode rectifying bridge, Buck converter,batteries and control

7、ler,it is put forward to realize the power control strategy.Based on the state analysis of wind turbines,load power and the working modes of battery the integrated control systems are extracted.Working modes of the systems are determined by DC voltage and current based measurement,their transfer dia

8、grams are given.The control strategies in the working modes of integrated control systems which consist of maximum power,load power tracking when charging or discharging and running protection are given.Finally, based on wind data and load results of the analysis, design and calculation of a small w

9、ind power system, including the calculation of wind turbine capacity, battery matching calculation, inverters and control equipment choices. The system can provide users independent power supply, can be used as a permanent outdoor power monitoring device.Key Words:Wind Power Generation;Buck Converte

10、r;Characteristic Curve of Duty;Maximum Power Point Tracking目录摘 要IAbstractII第1章 绪 论- 1 -1.1风力发电研究的背景和意义- 1 -1.2全球风电产业的发展现状- 1 -1.3 国内风力发电现状与展望- 3 -1.4 小型风力发电系统- 5 -1.5 课题的目的和意义- 6 -1.6 论文的主要研究内容- 7 -第2章 系统实现的技术基础和原理- 9 -2.1风能密度及其计算方法- 9 -2.2风力机及其运行特性- 10 -2.3风力发电系统介绍- 12 -2.4风力发电系统主要类型- 13 -2.4.1定桨距失

11、速调节型风力发电机组- 14 -2.4.2变桨距调节型风力发电机组- 14 -2.4.3主动失速调节型风力发电机组- 14 -2.4.4变速恒频风力发电机组- 14 -2.5变速恒频风力发电技术- 15 -2.5.1恒速恒频风力发电技术- 15 -2.5.2变速恒频风力发电系统- 16 -本章小结- 19 -第3章 负载跟踪和充放电集成控制- 20 -3.1本文提出的控制系统结构- 20 -3.2工作模式及其转换- 21 -3.3集成控制策略- 22 -3.3.1最大功率控制- 22 -3.3.2功率调节原理- 26 -3.3.3效率分析- 29 -3.4负载跟踪控制- 29 -3.5蓄电池充

12、电控制- 29 -3.5运行保护控制- 32 -3.6系统控制电路- 32 -3.6.1控制芯片- 32 -3.6.2检测电路- 34 -3.6.3驱动电路- 37 -3.7控制器软件设计- 38 -3.7.1主程序- 38 -3.7.2中断服务程序及子程序- 38 -3.7.3工作模式子程序- 39 -本章小结- 40 -第4章 系统设计方案及其相关匹配计算- 42 -4.1风力机的选择- 42 -4.2发电机的选择- 43 -4.3蓄电池- 44 -4.4控制器- 45 -4.5电力变换单元- 46 -4.5.1整流器- 46 -4.5.2 DC/DC变换器- 47 -4.5.3逆变器选择

13、- 48 -4.6 本文设计的风力发电系统- 50 -本章小结- 52 -结 论- 53 -致 谢- 54 -参考文献- 55 -第1章 绪 论1.1风力发电研究的背景和意义 人类进入到二十世纪以来，快速发展的经济对能源的需求日益增加，电力供应频频告急，巨大的电力缺口，导致对一次能源煤、石油、天然气的消耗迅猛增长，而这些不可再生资源的储量越来越少，能源危机日趋严重。有专家预测，煤炭还可开采二百年，石油、天然气在四五十年后将濒临枯竭，一些主要靠进口能源来满足国内能源消费的国家，为了减少对国外能源的依赖，加强本国能源供应的安全水平，正加紧对风力、太阳能等可再生能源进行研究。目前，在发达国家风电的年

14、装机容量以35.7%高速度增长。一个重要原因是各国积极以科学的发展观，采取技术创新，使风电技术日益成熟。目前单机容量50kW、600kW、750kW的风电机组已达到批量商业化生产的水平，并成为当前世界风力发电的主力机型，兆瓦级的机组也已经开发出来，并投入生产试运行。同时，在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，风电控制系统和保护系统广泛应用电子技术和计算机技术，有效地提高风力发电总体设计能力和水平，而且新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用。技术进步使风电成本具有市场竞争能力。长期以来，人们以风电电价高于火电电价为由，一直忽视风电作为清洁能源对于能源短缺

15、和环境保护的意义，忽视了风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景。近10年来，风电的电价呈快速下降的趋势，并且日趋接近常规发电的成本。布朗B模式指出“世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%”。按照这一规律计算，近几年的风电增长率一直保持在30%以上，这就意味着每隔30个月左右，成本就会下15%。风电的优点包括：(1)利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；(2)运行成本低，风电机组的设计寿命约为2025年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的3%5%；(3)建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。1.2全球风电产业的发展现状由于风能呈现全球分布的趋势，所以世界各国都在大力发

16、展风力发电，特别是进入 21 世纪，全球可再生能源不断发展，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，目前世界风能发电厂以每年 32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达 5000 万MW。由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快，预计 15 年之后欧洲人口的一半将会使用风电。欧洲是目前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。2007年底欧洲地区累计风电装机容量为 2930 万千瓦，约占全球风电总装机容量的 73%。尽管 2007 年欧洲风电装机增长幅度有所放

17、缓，年增幅由 2006 年的 35%降为 23%，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。美洲地区风电装机容量达 690 万千瓦，占全球风电总装机的 17%。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢，除印度一支独秀以外，其它国家风电装机容量均很小。风电累计装机容量居前五位(到 2003 年底)的国家依次是：德国(14612 MW )、西班牙(6420MW )、美国(6361MW )、丹麦(307 MW )和印度(2120MW )。图1.1 为世界风资源分布图。图1.1中国风资源图Fig.1.1 Overview of European Wind Atla

18、s 在欧洲，德国的风电发展处于领先地位。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出到 2025 年风电要实现占电力总用量的 25%，到 2050 年实现占总用量的 50%的目标。其中丹麦风能产业年营业额在 30 亿欧元左右，并网发电机组达 312 万千瓦，风能发电量占全国电力总量的 22%，居全球首位；而在该国的西北部地区，这个比例甚至已经达到 100%，预计 2030 年，丹麦全国 40%的电力都将来自风能。同时亚洲的风电也保持较快的发展势头，印度则是发展中国家的典型。2006 年印度风力发电装机容量达 298.5 万千瓦，位居全球第五，而且建立了风电设备产业，能生产70%的风机零部件及 100

19、0 千瓦以上级别的风机整机，风机及部件出口欧美。印度政府积极推动风能的发展，鼓励大型企业进行投资发展风电，并实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第 5 大风电生产国。丹麦 BTM 咨询公司 2005 年 5 月所做的市场预测报告称，全球 2005 年至 2009 年新安装机组容量年平均增长率为 16.6%；预计 2009 年的增长率高达 26%，这么高的预期值是因为美国市场和亚洲主要市场的增长；2009 年之后预计 2010-2014 年的年增长率为10.4%。随着全球风能的快速发展，风能将会成为 21 世纪全球经济发展所需的重要能源;同时我们相信其他可再生能源也将会持续发展并得

20、到充分利用，以满足人类对能源的不断增长的需求。1.3 国内风力发电现状与展望我国幅员辽阔，陆疆总长达 2 万多公里，还有 18000 多公里的海岸线，边缘海中有岛屿 5000 多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到 6 米/秒以上。一般认为，可将风电场风况分为 3 类：年平均风速 6 米/秒以上时为较好；7 米/秒以上为好；8 米/秒以上为很好。我国相当于 6 米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的 1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄

21、海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。根据全国气象台部分风能资料的统计和计算，中国风资源分布如图 1.2 所示。图1.2中国风资源图Fig.1.2 Chinese wind resource map中国陆地 10 米高度层实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。考虑到近海风能，总储量应该不止 2.53 亿千瓦。风电项目通常要求年利用小时数高过2000 小时，目前中国

22、已经建成的风电场平均利用小时约 2300 小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。2003 年底，我国并网风电投产规模最大的省份依次为：辽宁(22.3%)、新疆(18.2%)、内蒙古(15.7%)、广东(15.2%)、浙江(5.9%)等。中国风电真正开始有较大规模的发展是从 1996 年、1997 年开始的。截至 2004 年底，中国有43 家风电场，安装 1291 台风力发电机组，并网风力发电装机容量为 76 万千瓦，名列世界第十，亚洲第三。我国风力发电装机容量年增长情况如图 1.3 所示5。图1.3我国风电装机的增长情况(单位：万千瓦)Fig.1.3 Chinas ins

23、talled capacity of wind power growth (Uni:10,000 kilowatts)1.4 小型风力发电系统小型风力发电机一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为 100 瓦5千瓦，通常不超过 10 千瓦。图 1.4 典型小型风力发电机结构示意图叶片、轮毂组成风力发电机的风轮部分，小型风力发电机的叶片通常有 2 枚或3 枚，材料通常采用玻璃钢或铝合金，叶片尖端在风轮转动中所形成圆的直径称为风轮直径。增速器用来匹配风轮机和发电机的转速，低速的风轮机和高速的发电机之间必须配增速器。制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。制动器可分为手动制动器、电磁制动

24、器和液压制动器。小型风力发电机通常采用永磁发电机，有直流发电机和交流发电机两种，电压一般有12、24、36、48、125、127V等，现在我国已经研制出了交流电压为220/240V的高效永磁交流发电机。风力发电机的调速装置通常有可变桨距调速装置、定桨距叶尖失速控制调速装置、离心飞球调速装置、空气动力调速装置和扭头、仰头调速装置。小型风力发电机一般采用扭头、仰头调速装置。风力发电机的调向速装置主要有尾舵调向、下风向调向和调向电机或伺服电机调向。小型风力发电机通常采用尾舵调向。由于风力的不稳定，交流发电机输出的是变化的交流电，对于直流风力发电机发出的电压不能满足交流家用电器的需求，所以，一般风力发

25、电装置配有整流器，把变化的交流电变为直流电，然后，给蓄电池充电，再利用有保护电路的逆变器，把蓄电池里储存的化学能转变成交流220V市电，供给交流负载使用，小型风力发电系统框图如图1-5。图1-5小型风力发电系统框图风力发电是涉及电机、电力电子、电化学、机械、空气动力学、计算机、自动控制、气象等多种学科的综合课题，大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。由于风能的随机性和不稳定性以及负载的随时变化使得现有小型风电系统仍然存在不少问题。(1)

26、 效率较低，现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电，并没有对风电转换环节进行控制，使得风能利用系数比较低，一般在 0.3 左右。据贝茨理论风能利用系数的极限值为 0.593，如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行，年发电量可以提20%-30%；(2) 蓄电池的工作状态不尽合理，使得其寿命短暂，一般两三年就得更换，增加了整机维护成本，不合理使用主要是充电方式与蓄电池可接受特性相距甚远。电池使用寿命短，则会使得度电成本居高不下，从而使小型风力发电系统难于推广应用；(3) 小型风力发电系统中，蓄电池的充电设备均有欠、过压保护装置，如果电压波动不稳，变化幅度较大，势必会造成这些装置频频动作，对这

27、些保护装置的寿命造成直接的影响；(4) 没有考虑风能变化、负载变化以及蓄电池状态相互之间的关系；(5) 小型风力发电系统由于成本的原因，发电机和蓄电池的保护措施比较简单，这就导致系统的综合可靠性和效率较差，往往达不到设计使用寿命。1.5 课题的目的和意义目前我国农村地区电价相对较高，且据统计仍有超过 3000 万农村人口缺乏稳定电力供应，而我国的大多数此类农村都处于风力资源较为丰富地区。所以开发低风速、易于安装的小型风力发电系统，辅助解决农村地区用电问题是一个有深远经济意义的课题。从著名的风能公式：E=1/2（tsv3）式中空气密度，千克/ 米 3；v 风速，米/秒；t 时间，秒；s 截面面积

28、， 米 。我们可以看到，影响风能资源的主要因素是风速。通常适宜用来进行风力发电的状况是指风速在 3 米/秒20 米/秒之间的风能，目前国内外一般选择年平均风速在 6 米/秒或更高的风能资源丰富区，集中安装并网型大型风力发电机组，单机容量一般在 600千瓦以上。这样才能保证机组的发电量，经济效益才能显著。独立运行的离网型小型风力发电机组启动风速较低，一般在 3 米/秒以上的风速就能发电，适宜这种条件的地区分布广泛，我国有相当部分的农耕区、山区、岛屿和牧区属于这种地区，约占全国陆地总面积 40%以上。华北地区水电资源贫乏，发电主要以火电为主，其中燃煤机组占绝大多数。由此带来的问题一是煤炭消耗量惊人

29、；二是排烟中的硫氧化物、氮氧化物不可避免地对环境造成一定程度的污染破坏；三是因冷却需要，对地下水的消耗极大，加剧了华北地区干旱缺水的紧张局面。另一方面，华北的内蒙古地区以及河北省张家口地区地处蒙古高原，风力资源丰富，北京及河北地区也属于风力资源可利用区，且地势平坦，电网基础好。风电作为一种清洁环保的新能源，既不消耗有限的煤炭资源，也不会消耗宝贵的地下水资源，更有利于国民经济的可持续发展，可见在此地区大力发展适合具体地区特点的高效可靠的小型风力发电设备是大有前途的。本文研究的目的就是在独立运行小型风力发电系统中，设计简单、高效、可靠的控制系统和使系统优化运行的控制策略，改进现有系统存在的问题包括

30、：(1) 提高能量转换效率，最大限度利用风能；(2) 对蓄电池进行高效、快速、合理的充放电控制，延长蓄电池使用寿命，降低用电成本；(3) 改进现有的控制方式，提高控制水平；(4) 提高系统可靠性，保证系统安全运行。因此，现有系统控制结构和控制策略的改进，对小型风力发电系统的推广和应用都具有重要的意义。1.6 论文的主要研究内容根据风力发电的基本理论，研究小型风力发电系统各组成部分的基本工作原理，重点研究小型风力发电系统逆变器、控制器的工作原理以及逆变器的拓扑电路；对小型风力发电系统中关键技术逆变控制技术进行研究，并对该控制方法进行仿真验证；对小型风力发电系统中风力发电机、逆变器、蓄电池的最优配

31、置原则进行研究；运用先进的控制理论和控制策略，采用电力电子元器件，开发出体积小、重量轻、高效节能、负载效应好、动态性能好、工作可靠及输出稳定等显著优点的小型风力发电系统。第2章 系统实现的技术基础和原理2.1风能密度及其计算方法1,4每平方米与空气流速相垂直的截面上流过的空气量q=u。故风速为u的风的能量密度为 E=Eq=Eu=1/2u3 （2-1）能量密度E是评定机做功能力的关键参数。可见风速越高，风轮机可能提取的能量越大。风能开发用“平均风能密度”来评价风能资源，年平均风能密度可按如下公式计算: =u3/2（W/m2） （2-2）风能密度计算方法可用：“直接计算法”和“概率计算法”求平均风

32、能密度。（1） 直接计算法 将某地一年的每天24小时逐时测得的风速数据按间距分成各个等级然后将各个等级的风度在该年出现的累计小时数分别乘以相应各风速下的的风能密度（1/2nu3）,再将各等级风速的风能密度相加除以年总时数N，即 =（niu3）/N (W/m2) （2-3）则可求出某地一年的平均风能密度。 （2） 概率计算方法 概率计算方法是利用某种概率分布函数拟合风速频率的分布，按积分公式计算年平均风能密度。一般采用威布尔公式，风速频率的分布函数为： f(V)=K/C(V/C)K=1e-(V/C)K （2-4）式中，K为形状参数；C为尺度参数。利用风速观测数据，通过最小二乘法，方差法和最大值法

33、等方法可以确定C,K 参数的值。将C,K 参数的值带入上式中，计算出各级风速的频率，然后求出各等级风速出现的累计时间，再按直接计算公式计算风能密度。当C,K的值确定后，也可以利用风能密度的直接计算公式推导出积分形式的公式。设风速V 在a, b上下区域内，则积分形式的风能密度计算公式为： = K/C(V/C)K=1e-(V/C)K V3dV/2 *(e-(a/c)K- e-(b/c)K) （2-5） 2.2风力机及其运行特性风力机的运行特性主要包括以下3部分8：(1)叶尖速比与风能利用系数根据风力机的空气动力学特性，风力机输出机械功率可表示为 P m=1/2Cp R 2V3 （2-6）式中，Cp

34、为风能利用系数；R为风轮半径，单位m，为空气密度，单位kg /m3；V为风速，单位m/s。由式(2.1)可知，在风轮叶片大小、风速和空气密度一定时，影响功率输出的唯一因素是风能利用系数Cp，输出功率与Cp成正比，而Cp是叶尖速比的函数，可以表示为 =rR2Rn /60V （2-7）式中，r为风力机角速度，单位rad/s；n为风力机转速，单位r/min。典型的Cp=f()关系曲线如图2.1所示 ：图2.1典Cp与关系曲线Fig.2.1 The curve of relation between Cp and 从图2.1中可以看出，在Cp随着的变化过程中，存在着一点m可以获得最大的风能利用系数ma

35、x Cp ，即最大输出功率点。(2)最佳运行曲线将(2.2)代入(2.1)可得P m=1/2 R 2Cp( R/30) 3n3在某一风速下，风力机的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速，在该转速下，风力机输出最大机械功率，它与风速的关系是最佳叶尖速比关系；在不同的风速下，均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率，将这些最大功率点连接起来可以得到一条最大输出机械功率曲线，即最佳功率负载线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。因此在不同风速下控制风力机转速向最佳转速变化就可以实现最大功率控制。不同风速下风力机的功率-转速特性曲线，如图2.2所示。图2.

36、2 Pm =f (n)特性曲线Fig.2.2 The characteristic curve of Pm and n (3)实际输出功率考虑到风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性和调速装置，捕获的风能和风力机转速受到限制，进一步考虑风场中风速和风向的波动，风力机理论上的功率输出为 （2-8）式中， Vin、Ve、Vout分别为风力机切入风速、额定风速和切出风速，P为风力机额定功率。当风速V低于额定Ve风速时，输出功率与风速三次方成正比；当风速V高于额定风速Ve而小于切出风速Vout 时，输出功率等于额定风速，即恒功率输出阶段；当风速V高于切出风速Vout 时，输出功率为0。如图2.3所示。

37、图2.3风力机的理想输出功率曲线Fig.2.3 The ideal output power curve of turbine图2.4风力机的实际输出功率曲线Fig.2.4 The real output power curve of turbine而实际上，风力机仅在风速高于切入风速Vin时，才有功率输出；在切入风速与切出风速之间，当风速在额定风速以下时，输出功率不超过额定风速时，属于正常调节范围；当风速高于额定风速时，机械调速装置的存在将风力机的输出功率限制在所允许的最大功率以内，如图2.4所示。2.3风力发电系统介绍风能发电的主要形式有两种：一是独立运行；二是风力并网发电。小型独立风力发

38、电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机充电器数字逆变器。见图2.5，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13V25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。图2.5小型独立风电系统

39、示意图Fig.2.5 The diagram of independent small wind power system diagram风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30%50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20%45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.54米/秒，于风速1215米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达2025米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶

40、轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高的年平均风速达到55.5米/秒以上。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。除风速之外，叶轮直径决定了可获取风能的多和少，约与叶轮直径平方成正比。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。此外，现代风机的叶片多采用机翼的翼型16。2.4风力发电系统主要类型近年来世界风力发电发展十分迅速，每年其容量以30%的速度递增。风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量转换的两大主要部分，有限的机械强度和电气性能必然使其受到功率和速度的限制

41、，因此，风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键之一。目前风力发电机组按照风电机的调节技术分主要有以下4种18：2.4.1定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大/小发电机)。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。2.4.2变桨距调节型风力发电机组变桨距是指安装在轮毂上

42、的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45o，当转速达到一定时，再调节到0o直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持为0o位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。2.4.3主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功

43、率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳。2.4.4变速恒频风力发电机组变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以跟踪风速的变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段(AC-DC-AC或AC-AC变频器)

44、来保证与电网同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功宰输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，堤高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节

45、运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功宰的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够线电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。2.5变速恒频风力发电技术发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频(Constant Spe

46、ed Constant Frequency，简称CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable SpeedConstant Frequency，简称VSCF)风力发电技术。2.5.1恒速恒频风力发电技术恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，Cp值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图2.6所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%-5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发

47、电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。图2.6异步发电机机械特性曲线Fig.2.6 Asynchronous generators mechanical characteristics curve2.5.2变速恒频风力发电系统4虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。(1)风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。如前述，风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化