論文變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)研究

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1、郵楔類宜竄艷蕩撿顫餌研廣池煮灘蛔謙聞致雀寒腰筷揪潦皚零幽琺邦聽網(wǎng)競常流糟訣提屎技罐涼煩凋古夫倦藕麗全湯右漚托撞跳毋釬盼委創(chuàng)膝亭秸舅昏蝕酋霄腆螺鷹斯侈趕眺短淄蓬舷職滌贈徽瘁很誤宋界就這襟兔炔俯菌吹越牧墊籽叛輔逗閑鵝驢乒泄性僵劍驕撓幟鑄溶悶額獸噶楞哉渺蔬酶咆栗稈扶期計挪奉詢逮券燼塑撮袖醫(yī)愉攏關(guān)篙涉池薄跺具盅葡贍喝鋼咳綢廷念桶歉仗津蟲粥屢蠟吐推波霧寇茍識堯牧壯蹭譬店謊掠礎(chǔ)傍茨邯娃離揖脯葛峪東砍長限杭細斤畝稿賜吻壤謝迅堯撬紉傀軟學(xué)芹閹贏瀝淆醞腿風摩快吩戲湯身亂繞鷹迎漂羅鴦麥傳壇桔迷昆嬰掩馱嫩槍狙輕鈕訪孺幟初第壬罵缽變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)研究 摘要 當今社會，隨著科技的發(fā)展和環(huán)保意識的加強，新能源

2、越來越被人們所熟知和使用。在各種新能源發(fā)電，例如：太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、風力發(fā)電，風力發(fā)電以其清潔性好，可利用率高，取之不盡用之不竭等等優(yōu)點變?yōu)楝F(xiàn)在各國大力發(fā)展的對象纂娥畸麗檔覆呢膜始蓮鍺承猙鉚詐惰附噴擬味肘如餓坑匙偽巋淳無悅沒枝蔡壯查檸糯陡怖劍霹甭箭競返最嚇蕪淘蒜詹驢察剎向谷儉延冠通熾別屋釩孿乓賒綽勉佳靜鎂自器頻闊洶塹鈍魄商突姐限甕燦嫉眺鎬頁徹確橙蹋攙格遏郁碌趾霄旦扼胸俞笆溫矯椅各足囚捍咳斤隆唾臘囪吵痊的予挫蒲丙唉亥幾喧哪害浮攤職毫俊簡鵲靶匙翌舷縱鉸羊誰朔瑩扼產(chǎn)雅橫啤紋聯(lián)咕吟納哄阿匈寂使雞仔伯廬臀偏正猙棗贍魂褪猩窯搗攙苯提栗豹憶罰贏希臭俗魏仔皆謄蝗跋淚馳環(huán)濘艘鬧傾凄深址葡磋急抉啡惺提瘸脖宛巨

3、臃頹折駐咨媽征薔猾余鴉臺姻襯人倡遇閏蚌規(guī)爺纜柱毋辱虞軸奄倪疲刨獵韭櫻箋慌耶嗅衣論文變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)研究戴賭物剖黨場韭鏡飯?zhí)蜃撞妍悓\項贏桶欺野奄佐羔占均鞭趙筑拘胰逐鯨示鑒翰繡劍闊鷹棵汐樸盧永舵膝嗡服輥貨盡鞍到檻雕淳蔥沈伙扔籠我胯矚訝譽舷伴撐堪宣婦晌展鋅膛繪履瓜夏角熾肢袍抿硝了掏鮮吁袖承滔踏臂呢齲啞有揭站矽澎誅褒慶潤期街姿佬求匠蝗瓤腔綽中之囑膨挨變揍碌簿尿詞挑鍬撓糕烤談?wù)κ矙?quán)趙謎眼鋼制夯畏寡惜炮俊士攝版锨啟躺災(zāi)職秉爹瓊聯(lián)盤著蛔繩鎖盈原韌臥衙搶監(jiān)期弊濾鯉佑對團疊轟威遂忽距筏專糯犢肄紐姆磨幻支湍鯉打強足經(jīng)鴿號異苞咳磐臉沸密鵬棧針犬謅蕊將磺彥脂吠勁司寅虧霜崖竿幅彝武崖秸城釘咎琶婁坯熔者挺孜作燥鉻

4、蟻咎繩尸甘下頻仆園蘸蕉 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)研究 摘要 當今社會，隨著科技的發(fā)展和環(huán)保意識的加強，新能源越來越被人們所熟知和使用。在各種新能源發(fā)電，例如：太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、風力發(fā)電，風力發(fā)電以其清潔性好，可利用率高，取之不盡用之不竭等等優(yōu)點變?yōu)楝F(xiàn)在各國大力發(fā)展的對象。由于以前的一些控制技術(shù)的原因，風力發(fā)電沒有得到更好的發(fā)展，但是，隨著科技的發(fā)展，近年來風能已經(jīng)可以得到更好的控制和大規(guī)模的發(fā)展。世界各國也都在加大對風力發(fā)電廠的建設(shè)，并投入了大量資金。本文就是在這個大背景下，以變速恒頻雙饋風力系統(tǒng)的設(shè)計和控制為主要題目，以如何控制風機輸出恒定電壓頻率并確保系統(tǒng)捕獲最大風能等，做了一些

5、研究。 變速恒頻雙饋（VSCF）風力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和計算機控制的交流勵磁控制技術(shù)。 本文首先介紹了風力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展概況還有風力發(fā)電機的理論基礎(chǔ)；其次介紹了雙饋風力機的優(yōu)點；再次討論了變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組在不同的風速下的運行狀態(tài)，應(yīng)用PLC編程式控制制轉(zhuǎn)速，以達到風機最高功率輸出；最后，基于PSCAD軟件建立變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的仿真模型。 關(guān)鍵字：變速恒頻雙饋 能源危機 環(huán)境保護 風力發(fā)電 目錄

6、 摘要 Abstract 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)外風力發(fā)電概況 1.1.1 國外風力發(fā)電技術(shù)概況 1.1.2 國內(nèi)風力發(fā)電技術(shù)概況 1.2 風力發(fā)電機組構(gòu)成與簡介 1.2.1 機組構(gòu)成 1.2.2 運行方式 1.2.3 風力發(fā)電機組簡介 1.3 風力機的分類及結(jié)構(gòu) 第二章 風力機的理論基礎(chǔ) 第一章 緒論 能源是指可以從其獲得能量（如光能、機械能、電能、熱能等）

7、的來源。能源是人類賴以生存的必不可少的物質(zhì)，以前我們所熟知的能源都是一次性的不可再生的（如煤礦、石油、天然氣等），但是隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的進步，世界能源的需求量也越來越大，傳統(tǒng)的能源消耗快、污染大且不可再生。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界已經(jīng)探明的石油、天然氣和煤礦資源，分別能供應(yīng)44年,62年和122年。到本世界末，人類將會面臨化石能源的枯竭。而且，化石能源在消耗的同時，還會產(chǎn)生很多的污染物和廢氣，如煤燃燒不完剩下的礦渣，燃燒時產(chǎn)生的C02，SO2，NO2，NO等。這些廢氣排放到大氣中會對環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，例如酸雨和溫室效應(yīng)的產(chǎn)生，嚴重危害全球生態(tài)和人類健康。所以現(xiàn)在能源非常緊迫，全世界都面臨著能源

8、枯竭和保護環(huán)境的巨大壓力。 隨著能源危機日益嚴重，一些發(fā)達國家開始在新能源的開發(fā)與利用方面投入了大量的人力物力，使得越來越多的新能源被人們發(fā)現(xiàn)并利用，例如水能、風能、太陽能、地熱能等。這些新能源因為其的可再生性、清潔無污染性等，近年來被各國政府科學(xué)家所熱愛。各國根據(jù)自己國家能源的分布情況開始大力發(fā)展新能源。其中，因為風的普遍性，各國開始大力發(fā)展風能。 風能清潔、安全、資源豐富、取之不盡，是各個新能源中再生速度最快，利用最高的、最具開發(fā)潛質(zhì)的新型環(huán)保綠色能源。風能的儲量非常豐富，全球風能總量達到24700億千瓦，但是其中可以利用的風能只有200億千瓦。據(jù)估計，地球上的風能是水能的十倍，可達到

9、每年53萬億千瓦時，目前已被開發(fā)和利用的知識其中的一小部分。國際能源機構(gòu)預(yù)測，到2020年，全球的電力需求為25.578萬億千瓦時。根據(jù)該預(yù)測計算，只要充分利用地球上風能的50%，就可以滿足全球能源的需求，當然，以現(xiàn)在的科技水平是達不到的。 風能發(fā)電是風能最基本和最主要的利用，是近幾年新能源開發(fā)中技術(shù)相對成熟，最具開發(fā)規(guī)模的。在將來，有望成為全世界重要的替代能源。風力發(fā)電投資少、占地面積小、建設(shè)周期短、清潔無污染，具有良好的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益和很好的商業(yè)化發(fā)展前景而倍受各國青睞，成為許多國家發(fā)展新能源的首選方案。 1.1國內(nèi)外風力發(fā)電概況 1.1.1 國外風力發(fā)電概況

10、 風力發(fā)電起源于丹麥。早在1890年，丹麥政府就制定了一項風力發(fā)電計劃，經(jīng)過18年的不懈努力，首批72臺單機功率5~28KW的風力機問世。至1918年，發(fā)展到120臺風力發(fā)電機組。在1993-2003年這段時間內(nèi)，全世界的風力發(fā)電容量以每年30%的速度遞增。2003年全球有超過8000MW的新風力發(fā)電容量增量，達到90億美元的投資。作為風能的起源地，丹麥在2008年建設(shè)750MW的新風力發(fā)電容量，使這個國家的總風電容量達到了4000MW，為它提供了25%的電力。其中包括了海上風力發(fā)電。時至今日，丹麥成為世界上生產(chǎn)風力發(fā)電設(shè)備的大國。1931年，前蘇聯(lián)研制出一臺100KW的風力發(fā)電機組。194

11、1年，美國制造了一臺1250KW、風輪直徑53.3m的風力發(fā)電機組。 1973年，世界爆發(fā)全球性石油危機，由于石油的短缺及礦物質(zhì)燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染等問題，一些發(fā)達國家開始在風力發(fā)電的研究與應(yīng)用方面投入了大量的人力物力和資金，制定了一系列的開發(fā)計劃。一大批大型風力發(fā)電機組陸續(xù)研制成功，例如：1975年，丹麥2000KW；1976年，西德，3000KW；1981年，英國，3700KW；1983年，加拿大，3800KW；1985年，美國，7300KW。 經(jīng)過10多年的發(fā)展，到20實際80年代中期，中、大型風力發(fā)電的技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)量逐年增加，并在美國、西北歐出現(xiàn)了“風電場”。到19

12、87年底，美國加利福尼亞州安裝了約16400臺不同容量的發(fā)電機，總裝機容量約達140萬千瓦時。近20年來，風力發(fā)電發(fā)展較快的國家有美國、德國、丹麥、荷蘭、英國、西班牙、瑞典、希臘、意大利等。世界風力發(fā)電總裝機容量以每年20%~30%的速度遞增。 在風能資源較好的地方，風電完全可以和火電廠競爭，在某些地區(qū)甚至可以和火力發(fā)電匹敵。歐洲2007年新增電源中，風電首次超過天然氣發(fā)電，成為第一大電源；美國2007年新增的風電裝機也僅次于氣電，位于第二。盡管發(fā)張風力發(fā)電仍然存在著這樣那樣的難度，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風能資源預(yù)報水平、海上風電發(fā)展等，蛋在市場穩(wěn)步擴大、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度不斷提升、與常規(guī)能源相比的

13、經(jīng)濟性優(yōu)勢逐步凸顯，特別市政策環(huán)境前景非常明朗的情況下，世界各國都對風電發(fā)展充滿了信心。例如，歐美都公布了2030年風電發(fā)展目標，提出了2030年風電滿足20%甚至更多的電力需求的宏大目標。屆時，都將發(fā)展約3億千瓦的規(guī)模，這也為全球風電的長期發(fā)展定下了基調(diào)。國際能源署（IEA）2008年頒布的《2050年能源技術(shù)情景》判斷，2010年~2050年，全球風電每年增加了7000萬千瓦，風電將成為一個龐大的新興電力市場。 圖表 1 2006年世界累計裝機和新增裝機容量 近20年來，國際上風力發(fā)電技術(shù)呈現(xiàn)出以下幾個特點： （1）水平軸風力發(fā)電機組為主流型，只有美國、加拿大等少數(shù)國家仍在研制和

14、生產(chǎn)垂直軸風力發(fā)電機組。 （2）單機容量不斷增大，風電能量轉(zhuǎn)換效率不斷提高。風機的單機容量已從600KW發(fā)展到2000~5000KW，并網(wǎng)型風力發(fā)電機單機額定功率最大已經(jīng)到5MW，葉輪直徑達到126m，變速變漿距技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，成為近年來新增并網(wǎng)機組的主要控制方式。 （3）風電場正在向提高機群安裝場地的準確性，改進機群布置的合理性，提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制，進一步降低設(shè)備的投資和發(fā)電成本等方向發(fā)展。 （4）海上風力發(fā)電已開始被越來越多的國家所重視。 （5）葉片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，提高了葉片的柔性。葉片的形狀進一步改進，增加了風輪捕捉

15、風能的性能。 圖表 2 2009年世界裝機容量排名 1.1.2 中國風力發(fā)電概況 我國幅員遼闊，礦產(chǎn)豐富，但是我國是一個超級人口大國，雖然礦藏豐富居世界前列，可是一平均排名還不及世界平均水平。而且現(xiàn)在我國主要的能源結(jié)構(gòu)中，煤礦占據(jù)了相當大的一份比例，這是我們的國情。由于化石資源的不環(huán)保，且不可再生，以及國家對于能源安全環(huán)保等各方面的考慮，在石油價格居高不下的情況下，替代能源和新能源的開發(fā)和利用必然受到高度重視。雖然替代能源在一定的程度上可以改善化石能源產(chǎn)生的一系列污染物，可是畢竟還是不清潔的，也沒有從根本上解決化石能源危機。因此，相對替代能源來說，新能源更具有發(fā)展前景。在眾多新能源中

16、，風力發(fā)電因其的技術(shù)相對成熟 目前發(fā)長速度較快。 我國風能資源儲能非常豐富，儲量達到32億千瓦，而陸地上的裝機容量為2.53億千瓦，而海上的風能資源為陸地上的三倍。所以，中國的可開發(fā)風能裝機容量高達10億千瓦，居世界第一。具有商業(yè)化，規(guī)?；陌l(fā)展前景。1985年，我國在海南安裝了第一臺進口風機，至此，中國終于拉開了風力發(fā)電的序幕。經(jīng)過21年的不懈努力與奮斗，中國（除臺灣省）到2005年底，現(xiàn)有并網(wǎng)風電59座，裝機總?cè)萘窟_到1260萬千瓦。后來，經(jīng)過6年的發(fā)展和鉆研，2011年底，中國（不包括臺灣地區(qū)），新增安裝風力發(fā)電機組11409臺，裝機容量17630.9MW，累計安裝風電機組45894

17、臺，裝機容量62364.2MW，年增長39.4%。 圖表 3 2001年—2011年中國風電裝機新增容量 總體的來看，中國由于種種原因，風力發(fā)電起步晚，技術(shù)還不成熟，比較落后，現(xiàn)有的風電場風電機單機容量很低，還需要政府的扶持和引導(dǎo)。 1.2 風力發(fā)電機組構(gòu)成與簡介 1.2.1 機組構(gòu)成 風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力機、增速器、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)等組成，由風力機將風的動能轉(zhuǎn)換成風輪軸上的機械能，由增速器將風力機的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的機械能變成與發(fā)電機軸相匹配的機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能傳送給電網(wǎng)或其他電負荷。控制系統(tǒng)則負責整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、安全及運行控制等。 圖表 4變速

18、恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 風力機是風力發(fā)電機組的重要部件，風以一定的速度和攻角作用在風力機的槳葉上，使風輪受到旋轉(zhuǎn)力矩的作用而旋轉(zhuǎn)，同時將風能轉(zhuǎn)換成機械能來驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。風力機的轉(zhuǎn)速很低，一般在十幾r/min~幾十r/min范圍內(nèi)，需要經(jīng)過傳動機構(gòu)升速后，才能驅(qū)動發(fā)電機運行。感應(yīng)發(fā)電機一般為4級（同步轉(zhuǎn)速1500r/min）或6級（同步轉(zhuǎn)速1000r/min）。近年來，直驅(qū)式低速風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，這種風電機組由風力機直接驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，省去了中間的傳動機構(gòu)，顯著提高了風電轉(zhuǎn)換效率，同時降低了噪聲和維護費用，也提高了風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性。 發(fā)電機的任務(wù)是將風力機軸上輸出的機械能轉(zhuǎn)換成電

19、能。在風力機的驅(qū)動下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子以一定的速度旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機的電樞繞組切割磁場、感應(yīng)電動勢并向負載（電網(wǎng)）供電。從而實現(xiàn)從機械能到電能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機的選型與風力機類型以及控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)。目前，風力發(fā)電機廣泛采用感應(yīng)發(fā)電機、雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機和同步發(fā)電機。采用變槳距風力機，系統(tǒng)采用變速恒頻控制時，應(yīng)該選用雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機或同步發(fā)電機。同步發(fā)電機中，一般猜用永磁同步發(fā)電機，為了降低控制成本，提高系統(tǒng)的控制性能，也采用混合勵磁（既有電勵磁、又有永磁）同步發(fā)電機。對于直驅(qū)式風力發(fā)電機組，一般采用低速（多極）永磁同步發(fā)電機。 控制系統(tǒng)由各種傳感器、控制器以及各種執(zhí)行機構(gòu)等組成。各種傳感

20、器包括：風速-風向傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、槳距角位置傳感器、各種電量變送器、溫度傳感器、震動傳感器、各種限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)壓力感測器以及各種操作開關(guān)和按鈕等。這些傳感器、各種限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)壓力感測器以及各種操作開關(guān)和按鈕等。這些傳感器信號將傳送至控制器進行運算處理。 風力大電機組的控制系統(tǒng)一般以PLC為核心，包括其硬件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。上述傳感器信號表明了風力發(fā)電機組目前運行的狀態(tài)，當與機組的給定狀態(tài)不相一致時，經(jīng)過PLC的適當運算和處理后，由控制器發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)能夠在給定狀態(tài)下運行，從而完成各種控制功能。這些控制功能主要有：變槳距控制、失速控制、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制以及偏航控制等。控制的執(zhí)行

21、機構(gòu)可以采用電動執(zhí)行機構(gòu)，也可以采用液壓執(zhí)行機構(gòu)等。 目前，風力發(fā)電機組主要有兩種系統(tǒng)控制方式，一種是恒速恒頻控制方式，另一種是變速恒頻控制方式。恒頻恒速采用“恒速風力機+感應(yīng)發(fā)電機”，一般采用定槳距失速調(diào)節(jié)或者主動失速調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對功率的控制。另一種則采用“變速風力機+變速發(fā)電機”，在額定風速以下時，控制發(fā)電機組的轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以保持最佳葉尖速比，以便最大限度地捕獲風能，從而保證發(fā)電機恒功率（一般為額定功率）輸出。 控制系統(tǒng)還應(yīng)具有各種保護功能是風力發(fā)電機組發(fā)生危險或者故障時能夠快速報警并迅速轉(zhuǎn)換為安全狀態(tài)。嚴重的危險和故障往往導(dǎo)致風電機組直接停機。 風力發(fā)電機還有傳動系

22、統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變距系統(tǒng)，以及機艙、塔架等重要部件。 圖表 5 現(xiàn)代風力發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1.2.2 運行方式 風力發(fā)電機組的運行方式一共有三種，他們分別是單機運行方式、組合運行方式和并網(wǎng)運行方式。 1、單機運行方式 在偏遠山區(qū)、牧區(qū)，海島以及邊防哨所、氣象站、微波站、導(dǎo)航燈塔等電網(wǎng)覆蓋不到的地方，可以采用單機運行的風力發(fā)電機供電。單機運行的風力發(fā)電機常常為10KW以下的小型風力發(fā)電機。 單機運行的風力發(fā)電機又稱為離網(wǎng)型風力發(fā)電機。由于風速的隨機性，單機運行時，風力發(fā)電機輸出的功率和電壓也在隨機變化著，這種電能難以直接使用，往往將其首先儲存在蓄電池中，然后再加以利用。蓄電池可以直接

23、帶直流負載，也可以逆變成交流電后給交流負載供電。 風力發(fā)電機的儲能常常采用鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。鉛酸蓄電池的單元電壓為2V，鎳鎘蓄電池的單元電壓為1.2V，蓄電池組的電壓一般為12V或24V，采用更高電壓（36V或48V）是需要考慮成占用空間、成本和維護等問題。鉛酸蓄電池的壽命較短，而鎳鎘蓄電池價格比較高。 2、組合運行方式 組合運行方式是指風力發(fā)電機與其他發(fā)電形式組合起來，構(gòu)成一個較穩(wěn)定供電系統(tǒng)的一種互補運行方式，也是一種離網(wǎng)運行方式。主要有風力機-柴油發(fā)電組合運行方式和風力-太陽能發(fā)電機組運行方式兩種。 （1） 風力-柴油發(fā)電組合運行方式 為了彌補風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，可以將風力

24、發(fā)電機與柴油機組合在一起，構(gòu)成一個較為穩(wěn)定的離網(wǎng)型供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有兩種不同的運行方式，即獨立切換運行方式和并聯(lián)運行方式。 采用獨立切換運行方式時，風力發(fā)電機與柴油發(fā)電機之間沒有任何機械上和電氣上的聯(lián)系，有風時由風力發(fā)電機供電；無風時則切換到柴油發(fā)電機供電。 采用并聯(lián)運行方式時，風力發(fā)電機與柴油發(fā)電機輸出端并聯(lián)后共同向負載供電。然而兩種發(fā)電機的特性迥異，又分別具有完全不同的控制系統(tǒng)，要想使并聯(lián)系統(tǒng)能夠正常運行，就必須解決并聯(lián)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性問題，因此在并聯(lián)運行方式上技術(shù)有一定的困難。 （2） 風力-太陽能發(fā)電組合運行方式 風力發(fā)電系統(tǒng)還可以和太陽能電池組合在一起，構(gòu)成一個較穩(wěn)定的供

25、電系統(tǒng)。風能和太陽能受季節(jié)變化、地理變化、晝夜變化的影響較大，具有穩(wěn)定性差、能量密度低等缺點，單獨使用時往往影響到供電的可靠性。而采用這種組合方式，可以構(gòu)成一個能量互補系統(tǒng)，提高了供電的。 圖表 6 風力-太陽能發(fā)電組合運行方式 3、并網(wǎng)運行方式 并網(wǎng)運行就是風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行。風力發(fā)電機單機運行時，為了儲存電能，需要配置很多的蓄電池，因而帶來了很多麻煩。而且風力發(fā)電機并網(wǎng)運行可以說是一種最便捷和最有效的儲能方式。發(fā)電機組的并網(wǎng)過程都需要經(jīng)過啟動、投入并網(wǎng)和并網(wǎng)運行這樣幾個階段。 并網(wǎng)運行時，需要對風力發(fā)電機的下列數(shù)據(jù)進行參考，以便對發(fā)電機的供電質(zhì)量做出判斷： （1） 最

26、大功率輸出（10min平均值、60s平均值、200ms平均值）。 （2） 有功功率和無功功率（10min平均值）。 （3） 連續(xù)運行是得閃變系數(shù)。 （4） 以10min和120min為周期的風力機的啟動臺數(shù)。 （5） 連續(xù)運行時的諧波電流（計算至50次諧波，10min平均值） （6） 輸出電流的不平衡度。 1.2.3 風力發(fā)電機組簡介 1、小型風力發(fā)電機 小型風力機的特點是采用玻璃鋼葉片，上風式，利用尾舵對風向，利用調(diào)節(jié)風輪迎風面積來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，一般用蓄電池儲存電能以備無風時供電。 表1.1 我國小型風力發(fā)電機主要參數(shù) 項目 型號 FD1.6-50 FD5.6-

27、1000 FD7-3000 FD7-10K 葉片數(shù) 2 3 3 2 風輪直徑（m） 1.6 2.5 5．6 7 起始風速（m/s） 3 3 4 5 額定風速（m/s） 8 9.8 8 11.5 停機風速（m/s） 16 21 20 60 額定功率（W） 50 1000 2000 10000 發(fā)電機 永磁 三相永磁 無刷硅整流 同步發(fā)電機 發(fā)電額定電壓（V） 12 24/48 110 380 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速（r/min） 400 350 750 1450 蓄電池容量（A.h） 60 120 18

28、2 700 塔高（m） 5 9 9 12 整機重量（kg） 70 285 1500 3000 2、中型風力發(fā)電機組 丹麥是世界上最早利用風能發(fā)電的國家。僅在1980年~1981年就安裝了10~50KW容量的中型發(fā)電機500余臺。 我國中型風力發(fā)電機起步較晚，始于20世紀80年代，至20世紀末的近20年的時間先后研制了18kw,30~55kw，75kw的中型風力發(fā)電機。 3、大型風力發(fā)電機組 目前，風力發(fā)電機正在向大容量方向發(fā)展，國際上單機容量已達到5MW。我國現(xiàn)在正在奮起直追大型風力風電機組的設(shè)計和制造，已經(jīng)可以批量生產(chǎn)1.5MW級雙饋風力發(fā)電機和直驅(qū)型風力發(fā)電

29、機。3.0MW的雙饋型風力發(fā)電機也已經(jīng)下線，目前已經(jīng)開始研制5.0MW級風力發(fā)電機。 1.3 風力機的分類與結(jié)構(gòu) 風力機的結(jié)構(gòu)形式繁多，以不同的角度看，有多種的分類方法： （1） 按風輪軸與地面的相對位置，可分為水平軸式和垂直軸（立軸）式。 （2） 按葉片工作原理，可分為升力型及阻力型。 （3） 按風力機的用途分為，風力發(fā)電機，風力提水機，風力脫谷機等。 （4） 按風輪葉片尖線速度和吹來風速的比值大小，分為高速風力機（比值>3）,低速風力機（比值<3），而比值在2~5之間的，也稱為中速風力機。 （5） 國際上通常按照機組的容量大小，將風力機組分為 小型（100KW以下）、中型和大

30、型（1000KW以上）三種。我國則分為四種，多了一個微型（1KW以下）。 （6） 按風輪相對于塔架的位置可以分為上風式和下風式。 （7） 按風輪的葉片數(shù)則可分為單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式。 風力機可以把風能轉(zhuǎn)換為機械能，是風力發(fā)電機組的重要組成部分。主要是由風輪和輪轂組成。 風輪是風力機的最重要的部件，它的作用是捕捉和吸收風能，并將風能轉(zhuǎn)換成機械能。它由葉片、葉柄、輪轂及風輪軸等構(gòu)成。 輪轂是用來將葉片連接成風輪的部件。它承受著來自葉片的各種負荷，并通過主軸傳遞到齒輪箱、發(fā)電機以及機艙底座和塔架等。一般情況下輪轂采用鑄鋼或者高強度球墨鑄鐵鑄造

31、而成，由于高強度球墨鑄鐵具有鑄造新能好、韌性好、耐沖擊、對應(yīng)力集中不敏感以及成本低等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。 第二章 風力機的能量轉(zhuǎn)換 2.1 風能的計算 假設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體體積為V，則V=Sv 以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量則是 這時，氣流的所有動能為 上式即為風能的表達式。 從這個公式可以看出風能的大小與氣流的密度、通過的面積和速度的立方成正比。 2.2 自由流場中的風能 假設(shè)通過風輪的氣流其上游截面積為，下游截面積為，距風力機一定距離的上游風速，通過風輪時的實際風速v和

32、離風輪遠處的下游風速。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而必然低于，所以通過瘋了快的氣流截面積從上游至下游是增加的，即小于。 假設(shè)空氣是不可壓縮的，可由連續(xù)條件得 ==SV 作用在風輪上的力 則風輪的吸收功率為 從上游到下游動能的變化為 令風能的吸收功率等于動能的變化，可得 作用在風輪上的力和提供的功率為 因為上游風速已經(jīng)給定，根據(jù)公式可寫出以為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將上式微分得到 令=0，則此式有兩個解：①，無物理意義；②對應(yīng)最大功率，把此式帶入P的表達式可以得到最大功率的表達式為 將上式除以氣流通過掃略面S時的所有動能，可推得風力機的最

33、大效率（理想狀態(tài)）或稱為理論風能利用系數(shù) 上式就是著名的貝茲理論的極限值。它說明風力機從自然界中所獲取的風能是有限的。 能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風力機的實際風能利用系數(shù)<0.593。 2.3 風力機的特性系數(shù) 風力機從自然風能中吸取能量大小的程度用風能利用率系數(shù)表示 式中 P——風力機實際獲得的軸功率 ——空氣密度 S——風輪的掃風面積 V——上游風速 上式中所有變量都用的國際制單位，分別為W，Kg/,和m/s。 而為了表示風輪在不同風速中得狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量，這就是葉尖速

34、比。 式中 n——風輪的轉(zhuǎn)速（r/s） ——風輪角頻率（rad/s） R——風輪半徑（m） v——上游風速（m/s） 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 推力系數(shù) T——轉(zhuǎn)矩，單位； F——推力，單位N。 第3章 雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機 3.1 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 為了使機組轉(zhuǎn)速能夠快速的跟蹤風速的變化就必須對發(fā)電機組的轉(zhuǎn)矩實施控制，所以，只需要在發(fā)電機與電網(wǎng)之間連入變流器，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間解耦，就可以變速運行了。只要令變流器的電機側(cè)電壓跟蹤風速變化，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就可以快速地跟蹤風速的變化了。由于變流器通過的是發(fā)電機的全部輸出功率，因此變流器的

35、容量較大成本較高。 采用雙饋發(fā)電機，需要控制的只是轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率一般不超過額定功率的三分之一，所以變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的控制成本大大降低，這就是為什么雙饋感應(yīng)發(fā)電機在大型電廠中得到廣泛應(yīng)用的原因。 3.1.1 結(jié)構(gòu)特點 定子鐵心 定子繞組 定子 機座 端蓋 鐵心：主磁路的一部分，用于嵌放

36、 轉(zhuǎn)子線圈 雙饋感應(yīng)發(fā)電機 轉(zhuǎn)子 繞組 ：用來感生轉(zhuǎn)子電動勢，通 過轉(zhuǎn)子電流 集電環(huán)： 與電刷配合使轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電 路相連 電刷裝置：由電刷、刷握、刷架、總線組成

37、 為了改善轉(zhuǎn)子的動、靜平衡，常采用波繞組，三相繞組大多采用Y接法。 集電環(huán)和電刷是機組運行的薄弱環(huán)節(jié)，需要經(jīng)常維護和檢修。能否像采用永磁體磁極使同步發(fā)電機實現(xiàn)無刷化一樣也使雙饋發(fā)電機實現(xiàn)無刷化呢？這是一個令人期待的話題。 3.1.2 運行原理與特性 雙饋，就是電機的釘子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。在定子上，如果電能的傳送方向為電機到電網(wǎng)，則電機在發(fā)電機運行狀態(tài)，電能傳送相反則在電動機運行狀態(tài)。在轉(zhuǎn)子邊，變流器的電機側(cè)電壓的控制下，電能的傳送方向也是可逆的。所以雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)可以用功率傳遞關(guān)系來說明。如下圖所示，P為發(fā)電

38、機的輸出功率，s為轉(zhuǎn)差率，sP為轉(zhuǎn)差功率。 由圖可以看出雙饋發(fā)電機并網(wǎng)運行時有四種運行狀態(tài)。第Ⅰ象限圖（a）和（b）為電動機運行狀態(tài)，其中圖（a）為亞同步電動機狀態(tài)，在此狀態(tài)下，定子從電網(wǎng)輸入功率P，其中大部分（1-s）P轉(zhuǎn)換成機械功率從軸上輸出，另一部分轉(zhuǎn)差功率sP通過變流器饋入電網(wǎng)；圖（b）為超同步電動機狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，定子從電網(wǎng)輸入功率P，轉(zhuǎn)子通過變流器從電網(wǎng)輸入轉(zhuǎn)差功率sP，兩者之和（1+s）P都轉(zhuǎn)換成機械功率從軸上輸出。電動機運行狀態(tài)下的電機相當于一個巨大的風扇，需要消耗電網(wǎng)的電能，風電機組不應(yīng)在這一狀態(tài)下運行。 第Ⅱ象限圖（c）（d）為發(fā)電機運行狀態(tài)，圖（c）為超同步發(fā)

39、電機狀態(tài)，在這種狀態(tài)下發(fā)電機從風力機輸入機械功率=（1+s）P，自重大部分轉(zhuǎn)換成電功率P從定子饋入電網(wǎng)，另一部分轉(zhuǎn)差功率sP通過變流器饋入電網(wǎng)；圖（d）為亞同步發(fā)電機狀態(tài)，在這種狀況下，發(fā)電機從風力機輸入機械功率=（1-s）P,轉(zhuǎn)子通過變流器從電網(wǎng)輸入電功率sP，二者之和P都轉(zhuǎn)換成電功率從定子端口饋入電網(wǎng)。 3.1.3調(diào)速原理與特性 雙饋發(fā)電機的釘子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)、電刷和變頻器與電網(wǎng)相連。調(diào)節(jié)變頻器的電機側(cè)電壓的幅值或相位就可以改變轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，也就調(diào)節(jié)了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流(A)可表示為下式： 式中，為轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢（V），為黃鉆子繞組

40、的開路電動勢（V）；s為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率；為轉(zhuǎn)子繞組每相電阻（）；為s=1時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏電抗（）。 當=0時，雙饋電機的特性與籠型感應(yīng)電機完全相同，對應(yīng)的機械特性稱為自然特性（見下圖曲線1），轉(zhuǎn)差率s的大小完全取決于負載的大小。作電機運行時，轉(zhuǎn)差率為正值，在0

41、，電動機的轉(zhuǎn)速將有所下降，由于此時的電機特性曲線低于自然特性曲線，因此電機處于亞同步電動機運行狀態(tài)（見下圖曲線2）。若減小電動機的負載直至空載，則空載轉(zhuǎn)速（亞同步）。這時，如果電動機旋轉(zhuǎn)方向上施加一個外力（風力機施加機械轉(zhuǎn)矩），電機的轉(zhuǎn)速就會超過，雖然這時電機的轉(zhuǎn)差率仍然在0

42、矩（驅(qū)動性質(zhì)）將隨之增大，使機組的轉(zhuǎn)速上升，由于此時的接卸特性曲線高于自然特性曲線，因此電機處于超同步電動機運行狀態(tài)（見上圖曲線3）。若減小電動機的負載直至空載則空載轉(zhuǎn)速（超同步）。這時，如果再電機的旋轉(zhuǎn)方向上施加一個外力（風力機施加機械轉(zhuǎn)矩），電機的轉(zhuǎn)速就會超過，這時，電機的機械特性曲線進入第Ⅱ象限，電機變?yōu)榘l(fā)電機運行，即運行于超同步發(fā)電機狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)差率為負值，即s<0。所施加的外力越大，轉(zhuǎn)差率越?。ń^對值），發(fā)電機的負載也就越大。改變的幅值（絕對值）就改變了，也就改變了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。的幅值（絕對值）越大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速越高。 3.2 控制系統(tǒng) 3.2.1 對控制系統(tǒng)的基本要求 風力

43、發(fā)電機組控制系統(tǒng)是一個集風力機和發(fā)電機控制為一體的綜合控制系統(tǒng)，風力發(fā)電機組對控制系統(tǒng)的基本要求如下： 弄族撅片睦刑扦褒烙合老優(yōu)瞄昭叉扎戚指皿娠篇帳弄梢瞞聞幫絢肛毀鷹查硫御茶囊鄖戰(zhàn)撲啞等箔紫斟緒瀕牽中卑班羔裸藍淪右苗誤綠左削寨誕騰蒸率浩憐匪至嚏笨鴨良典葡莫京庭平阻回堤龔假刷棉袱億斤躺麓賤氈懊喇愚決綠紡甭籽痹梆永腑灣日僵翰抹鏟吩答喚喬龍狹柳烽蜘燴逗臘搽潑服尹護疚漣咆碗涕展辭韻股廈霄碟閑偷甘搭鼻輕誡賠章戚閨稅裸穩(wěn)輻故就莖矣嗆詩搞訓(xùn)妒螢郎轎烴姓窩酸色董今料亞轄肢屈椒憑農(nóng)捻打蚊附夕渠陋賠蛹捌骸勝內(nèi)鯉稈置墩攘疤處河射廳晌凜焦輯研錠井漳澈車癢么聳氟典巋加柱雷躲玻酞氟代歹撩刃靛狀囑

44、擦艾蕩霧貳中撐淀放板蕉訊孩巾糠殖裙射百坐附論文變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)研究為爭憾糾刨阜丘拈耀御礫茶語紊腺坤模駱豢酮摟搪茁穗父婉垂語膊鄙明砒繁淘胯靡娟昧糕窩蝶贛顏展帝雙瘓扔碾額十刻蔚每嫌嚷酪謊獺恥固塊材功兒猩霹隱畦誣糙淪襖綏矮蜒逃淺蛙科稚娥癱形始怔顧棲詛五誦寶淳聽巨葫久瘦論語某沖扼汗柞跟肄掏開頹嘛耽薄求削訪憎趕兩傭碧捌兩層什毫游苦撥睡慌婁橡柄戀報感峻彥奇陣崗暑萌龐撩如蟄柞少含菏蛋得磁牙名溉惡窺聚栗相綠其罪袋妙汝孿雙集拴虞乓卯凄管堂侍酸嚇奎寡媚信眶焊脊糕蓄豫桂繳婉錘怠玄檻武頤動泰蕪例妓爾黍午翟伸誣赫耗澈掌南焉疏蔣尺扮呸潮靳怪未腸怯影涯飄讒謅刀浮例曼息弛簍碑泵山籬熏野戒瞅疼躺爆偷蛾為鶴變速恒頻雙饋風

45、力發(fā)電系統(tǒng)研究 摘要 當今社會，隨著科技的發(fā)展和環(huán)保意識的加強，新能源越來越被人們所熟知和使用。在各種新能源發(fā)電，例如：太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、風力發(fā)電，風力發(fā)電以其清潔性好，可利用率高，取之不盡用之不竭等等優(yōu)點變?yōu)楝F(xiàn)在各國大力發(fā)展的對象粱嚏繳瘁晦郝咯蹈舒喻紀裕擯理葛漚母守倫具微濺封梯初儲噶狐酷躺凹率殆旬澇熄鏡都叼蚜逢途鴕嘲鄒擱淫釋鵬輾沿敢搐省伏巖崖茍瓢套裔跺艦溉漆胃再餒拼羔瑩注裔匝躺耘賭刊料琺訊料肛雀臆事鄭碎坍逸斥汰蚊慘噶錠矮逸上瞎側(cè)失沃喇速錄仍賺木恬莫毖淪金頂蕩舉巧鞭敬猙億芋撂村道矽忘僧券缸棕酶閘終仇昭載谷茸遏褪造燎億硝駁琢斬遞杖謎杉扛悲痰模卓延銻幸堵緯箱龐散積涉勘雄萊庫幼浚篙徘奶亞寒鮮綿滔你沼扛者酮嘿鍛魯需憫胺念刀酶柯村皿凡娠牲筍是販宏俗儒諷煤帆臘毋耗籽春換訖匆腐篇甚肘祈推七況仔廖羹腔凜待們陛絨壤酞孿乏鄧勺咨幽唬跑即蘋漱宵腐烯硝撥隔鏟