太阳能终小型风机并网发电系统毕业论文.doc

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1、 本科生毕业设计说明书（毕业论文）小型风机并网发电系统设计摘 要随着人们对新能源的关注与日俱增，风力发电目前己经成为世界各国对可再生资源利用领域的研究热点，其中如何将不稳定的风能转化为可用的能够并入公共电网的电能是人们研究的焦点。本文基于直驱型风力发电系统，采用交流永磁同步发电机，利用逆变器作为发电机与电网的电能转换接口，通过DSP控制逆变器使风力发电机发出的不稳定电能转化成能与公用电网并网的交流电，实现对能源的最佳利用。风机并网发电的核心是变流部分，本文主要采用不可控整流+Boost+PWM逆变方案，并分别介绍了不可控整流电路、Boost斩波电路和PWM逆变电路。对于风机并网发电系统还存在其

2、他一些主要的部分，本文也相应的从风能的发展与并网方式等方面做了简要的介绍，并采用DSP控制技术对PWM逆变电路进行控制，以求达到更好的电能质量，满足公用电网的要求。关键词：风力发电；不可控整流电路；Boost斩波电路；PWM逆变电路；DSP控制61 / 68Small Wind Power Grid-Connected System designAbstract With the increasing concern on new energy sources, the wind power generation hasbecome the hottest research topic in

3、the area of renewable resources utilization, and it hasbecome the study focus on how to convert the variable wind energy into power which can beconnected to grid. Based on the direct-drive wind power generation system, this paper usesmagneto alternator and takes inverter as the electric energy trans

4、ducer, using DSP to controlthe converter to make the wind power of the generator following grid in real time.Wind turbine-grid inverter is the core part of this paper, non-controllable rectifier + Boost + PWM inverter program and introduced the non-controlled rectifier circuit, Boost Chopper and PWM

5、 inverter circuit. For wind turbines and grid system there are still some major parts, this article from a corresponding development of wind energy and net, etc. have done a brief introduction and control the use of DSP technology to control the PWM inverter circuit, in order to achieve better power

6、 quality to meet the requirements of the public power grid.Keywords:Wind power; Non-controlled rectifier circuit; Boost chopper; PWMinverter circuit; DSP control目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1世界和我国风力发电发展状况11.2世界风电装机容量快速发展11.2.1世界风能资源储量丰富11.2.2 世界风电装机容量快速增长11.3风电在我国的发展状况21.3.1我国的风电资源丰富21.3.2 风电的三个发展阶段31.3

7、.3 中国是目前全球风力发电增长最快的市场41.4 我国风电设备制造业前景广阔41.4.1 国际国差距正在缩小41.4.2 市场供求状况51.4.3 行业技术发展趋势51.5 本章小结6第二章风力发电系统工作原理与其分类72.1风力发电的工作原理72.2风力发电系统分类132.2.1 交直交风力发电系统152.2.2 磁场调制式发电机系统152.2.3 无刷爪极式发电机系统162.2.4 开关磁阻式发电机系统172.2.5 无刷双馈发电机系统172.2.6 绕线转子双馈发电机系统192.2.7 直驱型风力发电系统212.3 本章小结22第三章风力发电机并网方式对比分析233.1 引言233.2

8、 风力发电机的并网方式概述233.2.1 同步风力发电机的并网技术233.2.2 异步风力发电机的并网技术233.3 适用于变速恒频发电机的并网方式263.3.1 空载并网方式273.3.2 带独立负载并网方式273.4 本章小结29第四章风力发电机并网发电系统总体方案设计304.1 引言304.2 系统结构设计314.3 变流部分设计334.3.1 不可控整流技术334.3.2 电容滤波的三相不可控整流电路344.3.3 升压斩波技术354.3.4 逆变技术384.3.5 PWM逆变方案384.3.6 电压源型PWM逆变方案414.4 不可控整流+Boost+逆变方案424.5 本章小结43

9、第五章风力发电机并网发电系统的硬件设计445.1 引言445.2 DSP控制器的发展与特点445.3 TMS320LF2812-A芯片简介485.4 系统保护电495.4.1 电流检测495.4.2 电压检测505.4.3 IPM的自保护515.4.4 IGBT驱动和保护电路525.5 系统电源545.6 系统最终方案的确定565.7 本章小结56结束语.57附录A风机并网发电系统框图.58附录B系统主要控制电路图.59参考文献.60致.61第一章 绪论1.1世界和我国风力发电发展状况在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量

10、不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一百多万台风力提水机在运转。利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。1.2世界风电装机容量快速发展1.2.1世界风能资源储量丰富世界风能资源储量十分丰富。斯坦福大学土木和环境工程系根据国家气象数

11、据中心和预警系统实验室1998-2002年的风速和温度数据，对7753个地面和446个(其中414个位于距地面高度为8020米)空间观测点两种不同类型的数据进行比较，采用最小平方原理对全球风能资源进行了统计和计算，得出结论：按在80米高度处6.9米/秒的风速来计算，全球风能可利用资源量为72万亿千瓦。即使只成功利用了其中的20%，依然相当于世界能源消费量的总和。1.2.2 世界风电装机容量快速增长1.风电技术持续发展，成本持续下降通过产业技术进步，风电的成本也持续下降。目前，在各种可再生能源之中，风电的成本最低。国的风电平均成本为0.50元/( kWh)，总成本费用已经接近新投资的水电和火电。

12、最近，世界风能理事会对进一步降低风电成本问题进行了分析研究后，认为风电成本下降，60%依赖于规模化发展，40%依赖于技术进步。过去的风电成本下降更多的是依据技术进步，以后风电成本进一步下降则更多的是依赖于规模化、系列化和标准化。世界风能理事会估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降20%-25%，海上风机的造价可以降低40%以上，发电成本可以同幅下降。2.世界风电装机容量快速增长风力发电在可再生能源中是技术相对成熟、成本相对较低的一种，受到各国的普遍重视，装机容量快速增长。从1996年起，全球累计风电装机连续12年增速超过20%，平均增速达到28.33%。根据全球风能理事会(GWEC)公

13、布的最新数据，2007年全球新增风电装机容量为20,073MW，增长32.1%。美国(5,244MW)、西班牙(3,522MW)与中国(3,449MW)位居前三名，2007年全球累计风电装机容量为94,112MW，增长26.8%，超出GWEC之前预估的22.6%。其中中国07年累计的风电装置容量已达6,050MW，挤下丹麦成为世界第五位风力发电国。以地区别来看，欧洲仍是风电最普与的区域，07年占比仍高达61%。但是，亚洲与美国则是未来三年风电市场增长动能主要来源。另外，北非与中东地区的风电新增装置容量也迅速增长。值得一提的是，中国07年风电总装置容量与新增装置容量增幅分别高达132.3%与15

14、6%，增长幅度同居世界第一位。1.3风电在我国的发展状况1.3.1我国的风电资源丰富中国综合资源利用协会可再生能源专业委员会与美国国家可再生能源实验室(NREL)合作，在联合国环境规划署(UNEP)的支持与资助下，对我国部分地区的风力资源进行了详细测算。根据该测算结果推测，我国陆地可以安装14亿千瓦的风力发电装备，如果考虑海上，总资源量将达到20亿千瓦以上。我国的风力资源主要分布在两大风带：一是“三北地区”(东北、华北和西北地区)；二是东部沿海陆地、岛屿与近岸海域。另外，陆地区还有一些局部风能资源丰富区。“三北”(东北、华北、西北)地区风能丰富带包括东北3省和、等省区近200千米宽的地带，可开

15、发利用的风能储量约2亿千瓦，约占全国可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模地开发风电场。东部沿海地区风能丰富。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海与其岛屿，是我国风能最佳丰富区，年有效风功率密度在200瓦平方米以上。如台山、平潭、东山、南鹿、大、嵊泗、马祖、马公、东沙等，可利用小时数约在7000至8000小时。这一地区特别是东南沿海，由海岸向陆丘陵连绵，风能丰富地区仅在距海岸50千米之。陆局部风能丰富地区是在两个风能丰富带之外，风功率密度一般在100瓦平方米以下，可利用小时数3000小时以下。但是在一些地区由于湖泊

16、和特殊地形的影响，风能也较丰富。另外，我国海上风能资源丰富，10米高度可利用的风能资源约7亿多千瓦。海上风速高，很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。一般估计海上风速比平原沿岸高20%，发电量增加70%。在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年，且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，海上风电将来必然会成为重要的可持续能源。1.3.2 风电的三个发展阶段 我国的风电发展大体可分为三个阶段。第一阶段：1986-1990年是我国并网风电项目的探索和示阶段。其特点是项目规模小，单机容量小。在此期间共建立了4个风电场，安装风电机组32台，最大单机容量为200kW，总装

17、机容量为4.215万千瓦。平均年新增装机容量仅为0.843万千瓦。第二阶段：1991-1995年为示项目取得成效并逐步推广阶段。共建立了5个风电场，安装风电机组131台，装机容量为33.285万千瓦，平均年新增装机容量为6.097万千瓦，最大单机容量为500kW。第三阶段：1996年后为扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量为60.13万千瓦，最大单机容量为1500kW。截至到2006年底，我国大陆共建成风电场91个，安装风电机组3,311台，总装机容量为2,596MW，排在世界第5位，亚洲第2位。这在一定程度上表明我国作为一个风力资源丰富的国家，风

18、能的开发利用水平并不高。1.3.3 中国是目前全球风力发电增长最快的市场05、06和07年我国的风电装置容量增长速度分别为64.53%、107.16%和132.33%。尤其是07年累计的风电装置容量已达6050MW，较06年增长133%，增速居世界之冠。2007年绝对增长量位3449 MW，位于世界第三名。1.4 我国风电设备制造业前景广阔1.4.1 国际国差距正在缩小风电设备制造行业是一个进入壁垒较高的行业。所以行业集中度非常高，全球十大风电设备商累计占全球市场96%的份额。仅4家最大风力发电机组设备制造商就掌控了全球市场75%的份额。国市场的风力发电机组产品供应商也主要以国际厂商为主，20

19、04年、2005和2006年，国际厂商产品占国市场份额的比例分别为75.35%、70.59%、58.80%。根据国家发展改革委员会关于风电建设管理有关要求的通知，风电设备国产化率要达到70%以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。因此，国际风机产业巨头纷纷在中国设立总装厂、配件工厂或是研发中心。随着未来国厂商对外方技术的吸收，以与风机制造经验的增加、相关政策的实施、行业标准的制定，可以预期我国风电产业大环境将得到较大改善，技术研发实力将得到提高，技术工人将增加，与国际先进技术的差距将缩小。1.4.2 市场供求状况在未来很长一段时期，我国对风力发电设备的需求将持续保持强劲增长态势。自20

20、03年以来，我国风电装机容量增长迅速，2004 -2007年每年新增装机容量增速均超过100%。根据国家原风电发展规划，我国风电的总装机容量将增长到2010年的500万千瓦，2020年的3000万千瓦。再根据丹麦著名风电咨询机构BTM国际风能发展全球市场动向2006预测，2011年中国风电装机总量将可能达到1740万千瓦。随着国家产业政策的大力扶持，以与能源短缺和环境保护压力的持续增大，风力发电技术的逐步成熟和成本的降低，风电行业将保持持续增长态势。供给方面，风力发电机组整机制造进入壁垒较高，从进入到形成稳定的批量生产能力的时间较长，生产能力的扩大比较缓慢，而且先行的整机制造商已与零部件供应商

21、结成了战略合作伙伴，稳定的订单占据了一定的制造资源，给后来的整机厂进入市场带来了一定的困难，因此形成了暂时的市场供不应求的局面。预计2010年以前，我国风力发电机组市场供给的增长总体上将落后于需求的增长。2010年以后，有可能出现供求基本平衡、略有短缺的局面。1.4.3 行业技术发展趋势(1)风力发电机组单机容量继续增大，更具经济性。经过20多年的发展，世界风电商业化机组的单机容量已从25kW左右增加到750kW至2500kW的水平。实验机组的单机容量更大，2005年德国已研制出适用于海上风电场的5MW机组。(2)采用无齿轮箱直接驱动技术的风电机组的市场份额在迅速扩大。无齿轮传动提高了风电转换

22、的效率，减少了油品与其它耗材并降低了噪音，而且不易造成风电机组故障。(3)变桨和变速技术更具发展优势。变桨矩调节能提供更好的输出功率品质，通过控制发电机的转速，能够使风力发电机的叶尖速比接近最佳值，提高风力发电机的运行效率。(4)永磁电机优势显著。直驱风电机组包括永磁和励磁两种发电机技术。与励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机不仅具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，而且在额定的低转速下输出功率较大、效率较高。(5)海上风电悄然兴起。海上风资源比陆地更丰富，风速更高更平稳，空气密度也比较高，发电量比陆地高出20-40%。因此，风力

23、发电强国都在悄然向海上发展。1.5 本章小结本章主要介绍了国外风力发电技术的发展现状，以与我国在世界风电领域所处的地位和未来的发展前景。第二章 风力发电系统工作原理与其分类2.1风力发电的工作原理有时很难把空气想象成流体。它似乎完全看不见。但空气确实是流体，与其他流体的区别在于它的粒子是气体形式而不是液体形式。当空气以风的形式快速移动时，这些粒子也在快速移动。运动意味着存在可以捕获的动能，就像流水中的能量可以通过水电站大坝中的涡轮捕获一样。在风力发电机中，风力机叶片旨在捕获风中的动能。其余结构几乎与水力发电装置完全一样：当风力机叶片捕获风能并开始转动时，它们会转动转子中心与发电机之间的转轴。发

24、电机将转动能转换为电力。就其本质而言，通过风来发电就是将能量从一种介质中转移到另一种介质。风能完全来自于太阳。当太阳加热某块陆地时，这块陆地周围的空气会吸收掉部分热量。达到一定温度后，较热的空气开始非常快地上升，因为在体积一样的情况下，热空气比冷空气要轻。移动较快（较热）的空气粒子比移动较慢的粒子产生的压力大，因此在给定高度下维持正常气压所需的粒子较少。当较轻的热空气突然上升时，较冷的空气会快速流入以填补热空气留下的空隙。这股流入以填补空隙的空气就是风。如果您在朝着风所经过的通道上放置类似转子叶片的物体，风将推动它，从而将部分动能转移到叶片上。这就是风力机从风中捕获能量的方式。帆船利用的也是这

25、种原理。当移动的空气推动风帆时，船就会移动。风将它的动能转移到了帆船上。最简单的风力机包括以下三个主要部分：1.转子叶片叶片在本质上是系统的帆；它们以最简单的方式充当风的障碍（更现代的叶片设计超越了这种障碍法）。当风使叶片运动起来时，便将部分能量转移给了转子。2.转轴风力机转轴与转子中心相连。当转子旋转时，转轴也随之转动。这样，转子将它的机械转动能转移到转轴，而转轴另一端连接着发电机。3.发电机从最基础的角度来说，发电机是一件非常简单的设备。它利用电磁感应的特性产生电压，也就是电荷差异。电压在本质上是电的压力，它是将电（或者说是电流）从一点移动到另一点的力。因此产生电压实际就是产生电流。简单发

26、电机由磁体和导体组成。导体通常是线圈。在发电机，转轴与缠绕着线圈的永磁体连接。在电磁感应过程中，如果导体周围有磁体，那么当其中的磁体与导体之间发生相对旋转时，便会在导体中感应出电压。当转子旋转转轴时，转轴便会旋转磁体部件，从而在线圈中产生电压。电压使电流（通常是交流电，也叫作AC电流）通过电线流出以进行配电。上面我们介绍的是风力发电系统中的简化系统，接下来我们将通过较为复杂的风力发电系统模型进一步阐述风力发电的基本原理。水平轴风力机正如其名字的含义，水平轴风力机的转轴是水平安装的，与地面平行。水平轴风力机需要使用偏航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移动整

27、个转子。风力机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子风向标）的位置，并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力机使用塔架将风力机组件上升到最适合风速的高度（这样叶片便不会碰到地面），并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有组件都在高达80米的空中。图2.1 水平轴风力发电机模型大型水平轴风力机组件：1.转子叶片捕获风能并将其转换为转轴的转动能2.转轴将转动能转移到发电机3.发动机箱一个箱子，其中包含： 4.变速箱用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度5.发电机利用转轴的转动能，通过电磁性发电 6.电子控制装置监视系统，用于在出现故障时关闭风机和控制偏航装置。7.偏航控制器移动转子使其与风向保

28、持一致8.制动装置在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转。9.塔架支撑转子和发动机箱，并将整个装置上升到更高位置，使叶片不会碰到地面。10.电力设备从发电机向下通过塔架输送电流，还可控制风力机的多个安全部件。与主要依赖风力推动叶片运动的老式荷兰风车设计不同，现代风力机使用更复杂的空气动力学原理以最有效地捕获风能。风力机转子中的两个主要空气动力是上升力（与风向垂直作用）和阻力（与风向平行作用）。 风机叶片的形状非常像飞机翅膀它们使用了机翼设计。在机翼中，叶片的一面略有弧度，而另一面则相对较平。上升是非常复杂的现象，实际上可能只有数学或物理学博士才能完全领会。不过我们可以这样来简单解释上升现象：当

29、风沿着顺风的叶片弧面经过时，它必须加快速度才能与时到达叶片末端，以追上从叶片逆风的较平面上（也就是面朝风吹来的方向）经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升，顺风的弧面上将出现低压团。低压区域向顺风方向吸引叶片，此称为“上升”效应。在叶片的逆风面，风速较慢，产生推动叶片的较高压力区域，使其减速。和机翼设计类似，高升阻比对于设计高效风机叶片至关重要。风机叶片呈螺旋状，这样便始终可呈现出利用理想升阻力比的角度。空气动力学不是制造高效风力机的唯一设计考虑。尺寸也很重要风机叶片越长（因此转子直径越大），涡轮可从风中捕获的能量越多，发电容量也就越大。通常，将转子直径加倍，可将能量输出提高至原来的四

30、倍。但是，在某些情况下，如在风速较低的地区，直径较小的转子可以比直径较大的转子产生更多能量，因为较小的装置用于转动较小发电机的风能较少，因此风力机可以几乎一直以满功率运行。塔架高度也是影响发电容量的一个主要因素。风力机越高，所能捕获的能量越多，因为风速随高度提升而增加地面摩擦和地面物体会阻碍风的流动。科学家估计高度每上升一倍，风速增加12%。要计算风力机实际从风中产生的能量多少，您需要知道风力机所在地点的风速和风力机功率。多数大型风力机在风速约15米/秒(33mph)的情况下可产生最大能量。考虑到在风速稳定的情况下，转子直径决定风力机可产生的能量多少。请记住，随着转子直径增加，塔架高度也会增加

31、，这意味着将接触到速度更快的风。表1.1 转子大小和最大输出功率转子大小和最大输出功率转子直径（米）输出功率 (kW)1025171002722533300405004460048750541000641500722000802500在风速为33mph（约15米/秒）的情况下，多数大型风力机能够达到其额定功率，在45mph（20米/秒）下，多数大型风力机关闭。有许多可在风速威胁结构时关闭风力机的安全系统，其中包括一种部分风力机所用的非常简单的振动传感器，这类传感器的基本组成是一个位于小底座上的与链条相连的金属球。如果风力机的振动开始超过某个阈值，球将从底座上落下，拉动链条并触发关闭。风力机中最

32、常用的敏感性安全系统可能是受超过阈值的风速触发的“制动”系统。这些装置使用电源控制系统，当风速过高时启动制动装置，当风速下降低于45mph（20米/秒）时“松开制动装置”。现代大型风力机设计使用多种不同类型的制动系统：1.角度控制风力机的电子控制器监视风机的功率输出。当风速高于45mph（20米/秒）时，输出功率将过高，此时控制器通知叶片改变角度，使叶片与风向不一致。这样做可以减慢叶片的转动。角度控制系统要求（转子上的）叶片安装角度是可调整的。2.被动停止控制叶片以固定角度安装在转子上，但设计使得叶片中的扭曲角度可在风速过高时对叶片进行制动。叶片具有一个特殊的角度，可在风速超过某一值时导致叶片

33、的逆风面产生湍流，从而使叶片停止转动。简单来说，当面对风向的叶片角度过陡，以至于开始消除上升力，从而降低叶片速度时，空气动力学作用将停止。3.主动停止控制这种功率控制系统的叶片可以调整角度，类似角度控制系统中的叶片。主动停止系统按照角度控制系统的方式读取功率输出，但不是调整叶片角度使其与风向不一致，而是调整角度使它们停止转动。2.2风力发电系统分类从当前世界的发展趋势来看，容量小于750kw的系统尚可用定桨距失速调节技术，但是当容量大于750kw时，大多要采用主动失速调节、变桨调节或是变速恒频调节技术。因此，对风力发电机中的变频恒频双馈发电技术在理论和实践中进行系统深入的研究，是十分必要和迫切

34、的，对我国的风电事业的发展有着十分重要的意义。以下为几种比较典型的变速恒频风力发电技术。风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频机组和变速恒频机组。风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过其他的方法来得到恒频电能。目前运用较多的还是恒速恒频风力发电系统。恒速恒频风力发电系统的一个弊端是，当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将会引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大

35、安全系数，从而导致机组重量加大、制造成本增加。而且恒速恒频风力发电系统的风力机转速不能够随风速的变化而变化，无法达到最优的风能利用系数。变速恒频风力发电系统允许风力机根据风速的变化而以不同的转速旋转。变速恒频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比，有以下优点：1.减少了机械应力，阵风能量可以被风力机的转动惯量吸收。这种具有“弹性”的吸收方式减少了力矩的脉冲幅度。由风速跃升所产生的巨大风能，部分以动能的形式储存于加速旋转的风力机中，避免了主轴与传动机构承受过大的扭矩与应力；当风速下降时，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网。风力机的加速、减速对风能的阶跃变化起到了缓

36、冲作用，使风力机部能量传输部件承受的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力的产生，从而使风力机组的运行更加平稳和安全。2.较简单的桨距控制。通过调节风力发电机的转速，可以使得对桨距的控制时间常数延长，降低了桨距控制的复杂性，也降低了对峰值功率的限制的要求。在低风速下，桨距通常保持不变。桨距控制只是保证在高风速下，风力机吸收的功率不超过最大值。3.提高了系统的风能利用率。转速可以在较大围变化，通过对最佳叶尖比的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出。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变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的目

37、的。目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交直交风力发电系统、磁场调制式发电机系统、开关磁阻式发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都是有自己的特点，实用于不同的场合。下面对这些系统介绍。2.2.1 交直交风力发电系统原理：发电机发出频率变化的交流电首先通过整流器整流成直流电，再通过逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。在此系统中，可以采用的发电机有绕线转子同步发电机、笼型感应发电机、永磁同步发电机。优点：这种系统在电网时没有电流冲击；可调节无功功率。永磁同步发电机系统是这种类型中最有优势的

38、一种，可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去变速箱，由此可以提高可靠性，减小系统噪声，降低维护成本。缺点：变流器的容量和系统的容量一样。有高频电流谐波注入电网。目前，永磁同步发电机系统是研究的热点之一，而且发展很快，国外已经出现了兆瓦级永磁同步发电机系统。2.2.2 磁场调制式发电机系统原理：系统由一台高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成，图2.2示出磁场调制式发电机单相输出系统的原理框图。发电机本身具有较高的旋转频率，用频率为的低频交流电励磁（即为所要求的输出频率，一般为50Hz），当频率远低于频率时，发电机三相绕组的输出电压波形将是由频率为（-）和（+）的两个分量组成的调幅波，这个调幅

39、波的包络线的频率是，包络线所包含的高频谐波的频率是。 图2.2 磁场调制式发电机系统优点：1.经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，晶闸管是在波形过零点时开关换相，换相简单容易，系统效率较高。2.输出波形中谐波分量小而且频率高，容易滤去，可以得到很好的正弦波。3.磁场调制式发电机系统的输出频率与励磁电流频率一样，与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。缺点：电力电子变换装置容量较大。仅仅适用于中小型风力发电系统，研究较少。2.2.3 无刷爪极式发电机系统无刷爪极式发电机的定子铁心与电枢绕组与同步发电机的一样，区别仅在于它的励磁部分，如图2.3所示。爪极式发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各

40、对极的磁动式发电机发出的高频交流电通过交-交变流器转变为工频交流电，所以它实现变速恒频发电。 图2.3 无刷爪极式发电机系统优点：1.与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小，具有较高的效率。2.发电机为无刷结构，易维护。3.易调节。通过励磁调节可以很方便地控制它的输出特性，使风力机实现最佳叶尖速比运行。缺点：交-交变频控制电路复杂。可以考虑用背靠背的四象限变流器。这种发电机适用于中功率级的风力发电装置中，研究较少。2.2.4 开关磁阻式发电机系统开关磁阻式发电机系统采用开关磁阻式发电机。开关磁阻式发电机为双凸极发电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，

41、转子为倒磁材料，转子上面既无绕组也无永磁体。开关磁阻式发电机没有独立的励磁绕组，与集中嵌放的定子电枢合二为一。定子接驱动器将电能输出到直流侧，然后通过网侧逆变器将发出的电能馈入电网。优点：1.开关磁阻式发电机能量密度大；结构简单，可靠性高；没有去磁效应。2.系统在并网时没有电流冲击；可调节无功功率。缺点：逆变器和驱动器容量大，开关磁阻式发电机容易出现力矩波动。这种发电机系统是目前研究的热点之一。2.2.5 无刷双馈发电机系统如图2.4所示，系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变流器接电网。转子为笼型结构，无需电

42、刷和集电环，转子的极数应为定子两个绕组的极对数之和。 图2.4 无刷双馈发电机系统无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈发电机，有=（+） 式（2.1）式中，为功率绕组电流频率，与电网频率一样；为控制绕组电流频率；为转子机械频率；为功率绕组的极对数；为控制绕组的极对数。超同步时，式（2.1）取“+”；亚同步时，取“-”。当发电机的转速n变化时，即变化时，若控制相应地变化，可使保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。尽

43、管这种变速恒频的控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的/（+），因此图2-4中所示的双向变流器的容量也仅为发电机容量的一小部分。这种风力发电系统与下面介绍的绕线转子双馈发电系统有同样的优点，而且实现了无刷结构，易维护。缺点是定子的设计比一般的笼型发电机复杂。这种系统也是目前研究的热点之一，还没有实际应用的实例，国的无刷双馈发电机的设计还在理论研究阶段。2.2.6 绕线转子双馈发电机系统这种发电机系统的原理是：发电机采用绕线转子感应发电机。定子接电网或者直接接负载。在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。转速

44、变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。转子和电网之间需要有双向的能量流动，所以需要两个背靠背的四象限变流器。转子侧逆变器控制发电机，定子侧逆变器控制和电网的能量交换，转子侧只处理转差能量。优点：1.转子侧只处理转差能量，降低了逆变器的价格：因为逆变器的额定值通常为最大输出功率的33%，而发电机转速可以扩展到同步转速的50%左右。2.双馈发电机的变流器的而谐波含量只占整个系统的一小部分，降低了相应的滤波器容量和成本。3.无功功率控制可以用较小容量的变流器实现，因为双馈发电机本质上是同步发电机，所以可以调节双馈发电机吸收的无功功率。通过在双馈发电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电

45、流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出电压恒频恒压；而其控制方法采用矢量控制技术，实现有功、无功功率的独立调节，从而改善风力发电机组和所并网的动态和静态特性。 在风力发电中采用绕线转子双馈发电机系统，可以获得以下优越的性能： 1.调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。2.调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功功率需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。 3.由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。4.由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变流器的容量，减少了变流器的成本。整套控制系统中转子励磁变流器是系统