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摘要
由于化石能源终将耗竭以及严重的环境污染，充分开发和利用可替代的清洁可再生能源是解决能源问题和环境问题的必然选择。风能作为全球发展最快的可再生能源，风力发电已成为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术。并网运行的风力发电由于得到大电网的补偿和支撑，已成为风力发电的主流。同时，双馈电机由于具有变速运行、有功无功可解耦控制、转差功率小等优点成为最广泛应用的变速恒频风力发电机型。
本论文以变速恒频双馈风力发电机作为研究对象，对其进行了包括运行原理分析、控制策略实现、系统建模及仿真等工作。
对双馈电机运行原理及稳态模型进行介绍后，推导了三相静止坐标系下的双馈电机数学模型，并以此为基础推导了适于应用的其模不变两相同步旋转坐标系下的数学模型。并结合最大风能追踪控制算法，基于P、Q解耦思想，对双馈电机发电运行时定子磁场定向控制策略进行了分析。在对双馈电机发电运行原理进行深入分析的基础上，将双馈电机的数学模型转化为能反映其控制思想的状态方程，利用MATLAB/Simulink分别对电机电量和机械量进行了S函数编程建模，组合成了双馈电机在发电运行时的仿真模型，再结合定子磁场定向控制策略对整个风力发电系统进行了建模。
本论文对变速恒频双馈风力发电机进行了深入分析，对核心的环节进行了基于状态方程的S函数建模，整个系统的仿真模型及结果分析具有极高的实用价值，也为本人在今后的工作中对风力发电的研究奠定了良好的理论基础。
关键词：风力发电；变速恒频；双馈电机；控制策略；S函数
Abstract
The exploitation and utilization of renewable energy is inevitable choice for solving energy and environment issue because of gradual exhaustion of the fossil fuel and serious environment pollution. Wind energy, as a kind of renewable energy, has a promising future of being developed in the globe. Wind power has already become a new energy generation technology which is worth of exploiting in scale and an expecting future in commerce. Because of the compensation and sustentation from large power grid, grid-connected wind power has become the main technology in wind power generation. Meanwhile, doubly-fed induction generator(DFIG)has become the most widely applied wind turbine in variable speed constant frequency(VSCF)wind power generation, since it presents many advantages such as variable speed running, the decoupled control of active and reactive power, and the small rotate difference power.
This dissertation takes the VSCF doubly-fed wind power generation as the research object, and focuses on its operation principle analysis, control strategy realization, modeling and simulation of system, etc. The main contents include as follows: The operation principle of DFIG and its steady model are produced. The machine model in three-phase stationary reference frame is derived, and based on this, the model in d-q synchronous rotating reference frame which is applied in industry is derived. Stator-flux orientation control strategy of DFIG generation operation is analyzed with MPPT algorithm and P-Q decoupled idea. Based on deep analysis of DFIG generation operation, it transforms the machine model into the state-equation that can reflect its control idea, and establishes models for electric and mechanical parameters of DFIG with S-Function. Then the two S-Functions are combined into a generation operation machine simulation model, which is took part in the wind power generation control model built with stator-flux orientation control strategy.
This dissertation analyzes VSCF doubly-fed wind power generation system deeply, and establishes S-Function models based on state-equation for some key parts. The whole model and its conclusions are useful, which are the base for my subsequent research work on wind power generation.
Keywords:Wind power, Variable speed constant frequency(VSCF), Doubly-fed induction generator(DFIG),Control strategy, S-Function
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目录
第一章绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2风力发电技术概述 (1)
1.2.1风力发电功率调节技术 (1)
1.2.2风力发电系统常用拓扑方案 (2)
第二章双馈电机基本理论及控制策略 (5)
2.1双馈电机运行的基本原理 (5)
2.2双馈电机的数学模型 (7)
2.2.1三相静止坐标系下的双馈电机数学模型 (7)
2.2.2坐标变换 (11)
2.2.3两相同步旋转坐标系下的双馈电机数学模型 (13)
2.3基于定子磁场定向的双馈电机的P、Q解耦控制 (16)
2.3.1最大风能追踪控制功率参考值的计算 (16)
2.3.2双馈电机基于定子磁场定向的矢量控制 (17)
2.4基于S函数的变速恒频双馈风力发电系统的建模 (21)
结论 (31)
参考文献 (32)
附录1双馈电机发电运行S函数程序 (33)
附录2双馈电机转矩运动控制S函数程序 (35)
致谢 (36)
第一章绪论
1.1 课题研究背景及意义
在化石能源日益短缺和环境污染日益严重的今天，充分和利用可再生能源是解决能源和环境问题的必然选择，如风能、太阳能、潮汐能等。虽然中国的传统能源能自给自足，但在全球范围内化石资源面临枯竭的情况下，极力发展新的可替代的可再生能源是特别重要的；同时我国的资源分布极不平衡，东部沿海地区资源的匮乏已经成为其经济发展的瓶颈，虽然从中西部地区配送能源能将问题得到部分缓解，但配送过程中能源的浪费也是惊人的，配送时间距离过长带来的效率也很有限，多方面的原因也促成中国需要开发新能源的紧迫性。
其中，风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁可替代能源，风力发电又作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术，成为全球发展最快的可再生能源。世界上很多国家已充分认识到风力发电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风力发电技术的发展给予了高度重视。这其中，丹麦等欧洲发达国家在自身传统能源供给本就不足的情况下，发掘新能源很早，对其进行研究的时间较长，并已开发出大量的成熟化商业产品，据统计，丹麦国内70%的用电量来自于风力发电。
我国是一个风能资源比较富集的国家，不仅是高原地带，如内蒙古等地区，同时东部沿海地区都有大量的风能储备，这都是很宝贵的能源，如果能利用好，则能解决东部沿海地区十多年来经常出现的“电荒”问题，对其经济发展是一个良好的促进。
1.2风力发电技术概述
1.2.1风力发电功率调节技术
风力发电包含了由风能到机械能和机械能到电能两个能量转换过程，因此现代风力发电系统中风力机和电机是主要的能量转换部件，风力机及其控制系统和发电机及其控制系统的性能直接关系到整个风力发电系统的性能、能量转换效率和电能质量。其中，风力机的变浆距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术的发展趋势，也是风力发电中的核心技术。
（1）风力机功率调节技术
功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类调节
方式：一类是定浆距失速控制，另一类是变浆距控制。
1）定浆距失速控制技术风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性，当风速变化时，叶片的迎风角度固定不变。失速的含义就是当风速超过额定风速时，利用叶片本身的失速特性，节距角增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低了转换效率，达到限制功率的目的。定浆距机组的整体效率较低，当风速达到一定值时必须停机。
2）变浆距调节技术变浆距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，而是通过风轮叶片的变浆距调节机构控制风力机的输出功率。变浆距调节型风机在低风速时，使叶片节距角处于零度位置，靠发电机来进行功率调节控制；在额定风速以上时再调节叶片节距角保证发电机的输出功率在允许范围内。
（2）发电机功率调节技术
发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分。风力发电技术可以分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术两大类。
1）恒速恒频风力发电系统电机的定子一般和电网直接相连，并网后不论是同步发电机或是异步发电机，转子的旋转速度都会受到电网频率的制约，因此，与发电机相连的风力机转速不能随风速改变，从而降低了对风能的利用率。另外一个很大的缺点是当风速突变时，风能的变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等机械部件，产生很大的机械应力，造成这些部件的损坏。
2）变速恒频风力发电技术可以克服恒速恒频风力发电技术的缺点。当发电机采取变速运行时，风力机的转速随之变化。风力机实现变速运行，可以在很宽风速范围内保持最佳叶尖速比，实现风能最大转换效率，提高了风能的利用率，并解决了机械应力的问题。此外，通过发电机的励磁控制，可以实现无电流冲击的软并网，使风力发电机组的运行更加平稳和安全。由于变速恒频风力发电技术有以上的优势，因此成为目前风力发电技术研究和应用的热点，本课题的研究也是建立在变速恒频基础理论之上。
1.2.2风力发电系统常用拓扑方案
现在的风力发电系统拓扑方案很多。根据变流器容量大小，可以分为全功率变换型风力发电系统和转差功率变换型风力发电系统；根据有无齿轮箱，可以分为传统有齿轮箱风力发电系统和直驱风力发电系统。全功率变换型风力发电系
统要求变流器的容量与发电机额定容量相当，增加了系统损耗，且增加了整个风力发电系统的成本；转差功率变换型风力发电系统中，由于流过转子电路的转差功率仅为发电机额定功率的一小部分，所以功率转换装置的容量小，电压低。而直驱风力发电系统相比有齿轮箱的传统风力发电系统的优势在于，前者没有齿轮箱，因此没有齿轮箱的损耗，而且齿轮箱作为机械部件，其故障率较高，直驱型风力发电系统取消了齿轮箱，使得机组运行的故障率降低；但直驱型系统的劣势在于发电机的极对数较多，电机本体增加了成本，所以直驱型和传统有齿轮型两种风力发电系统互有优劣，在国际上和国内，有齿轮型传统风力发电系统的市场应用依然较大，直驱型系统的研究和发展也很快。
现在将风力发电领域中占主导的两种拓扑方案进行间要介绍。
（1）永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统[6]
在火力发电或者水力发电系统中，同步发电机使用最为普遍。同步发电机在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定。在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有着严格不变的固定关系，以便维持发电机的频率与电网频率相同。
永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统的结构如图1-1所示。
该系统采用永磁同步发电机，转子为永磁式结构，无需提供外部励磁，提高了效率。其变速恒频控制在定子电路中实现，把永磁同步发电机发出的频率变化的交流电通过交-直-交变流器转变为与电网同频的交流电，因此变流器的容量与系统的额定容量相同。采用永磁同步发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。
（2）变速恒频双馈风力发电系统
双馈感应发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新
型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。与永磁直驱风力发电系统不同的是，双馈风力发电系统的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，其系统结构如图1-2所示。
在双馈风力发电系统中，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，众所周知，异步机的转差功率仅为定子额定功率的很小一部分，而且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的变流器容量仅为发电机容量的30%左右，属于转差功率变换，这大大降低了变流器体积和成本。双馈感应发电机的另一个显著有点是其有三个可调量：励磁电流的幅值、频率及相位，因此双馈感应发电机能实现有功、无功的灵活控制，对电网而言起到了无功补偿作用。由于上述诸多优点，变速恒频双馈风力发电系统已经成为目前风力发电方面的研究热点和发展趋势，这也是本论文研究的对象。
第二章双馈电机基本理论及控制策略
双馈电机（DFIG ）又称为交流励磁双馈发电机。这种电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，主要特征是其转子具有三相励磁绕组结构。当在转子侧通以某一频率的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上旋转磁场相对转子的转速等于同步转速，此时就在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。
与采用直流励磁的同步发电机相比，双馈电机除了励磁电流的幅值可调外，励磁电流的频率和相位也可调，所以在控制上更加灵活。
本章将在分析双馈电机运行的基本原理及数学模型的基础上紧接上一章对最大风能追踪控制的问题进行更深入的分析。
2.1双馈电机运行的基本原理
在变速恒频风力发电系统中，定子绕组接入工频电网，转子绕组接入频率、幅值、相位均可调节的三相变流器（励磁电源），通过控制转子侧变流器实现定子侧恒频恒压的电力输出。
图中1f ，2
f 分别为双馈电机的定子和转子电流的频率，1ω 为定子磁场的电角速度，即同步电角速度，s ω为转子磁场相对于转子的电角速度，r ω为转子
的电角速度。由电机学理论可知，要使电机稳定运行，定子磁场与转子磁场应保持相对静止且同步旋转，所以可以得到
1s r n
n n =+ （3-1）
同时由于1160p f n n =，260
s p
f n n =，带入式（3-1）可以得到[4,5] 2160r p
n n f f += （3-2）
式中，r n 为转子转速；
1n ，s n 分别为同步转速和转差转速；
p n 为电机极对数。
当电机转速r n 变化时，可通过调节转子励磁电流频率2
f 保持定子输出频率1
f 的恒定，这就是变速恒频双馈发电系统运行的原理。当电机亚同步运行时，
20f >，转子绕组相序与定子相同；当电机超同步运行时，20f <，转子绕组
相序与定子相反；当电机同步运行时，20f =，转子进行直流励磁。
根据异步电机的知识可以得到在不计铁耗和机械损耗的情况下，双馈电机的能量流动关系：
()21122
112m Cu Cu Cu Cu p p p p p s p p p p +=++???=++?? （3-3） 式中，m p 为转子轴上输入的机械功率，在忽略传动轴损耗的情况下，也可以看
作风力机的输出机械功率；2p 为转子励磁变流器输入的电功率；1
p 为定子侧输出的电功率；1Cu p 为定子绕组铜耗；2Cu p 为转子绕组铜耗；s 为转差率。
等号左边以输入功率为正，右边以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗的情况下，等式（3-3）可近似写为
()1211m
s s p p p p ?=-??=?? （3-4）
由式（3-4）可知，转子的电磁功率始终保持为转差功率1s p ，仅为定子电
磁功率的很小一部分，所以与转子相连接的变流器的容量就仅为发电机容量的一小部分，这样既大大降低了变流器的成本，又有利于提高双馈发电机的容量，这正是双馈电机作为变速恒频发电机的一个优势所在。
对于双馈电机，当其处于亚同步状态时，s>0，
20
p>，变流器向转子绕
组输入电功率；当其处于超同步状态时，s<0，
20
p<，变流器从转子绕组吸收电功率。可见，双馈电机的转子能量是在电网和发电机之间双向流动的。
2.2双馈电机的数学模型
交流电机的动态性能是比较复杂的，转子绕组相对于定子绕组在做运动，因此定子与转子之间的耦合系数在位置不断变化的情况下会连续变化，说明电机是非线性的、时变的，但为了了解DFIG的基本特性，从三相静止坐标系入手对电机进行分析是必须的，也是很必要的，再从三相静止系统经过坐标变换到简化的两相系统，这也是电机分析的常规方法。
2.2.1三相静止坐标系下的双馈电机数学模型
仍然以定子侧按照发电机惯例，转子侧按照电动机惯例进行分析，在分析前，先作如下假定：
（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
（2）忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是线性的；
（3）忽略铁心损耗；
（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组的影响；
（5）转子侧参数都折算到定子侧，折算后定子和转子绕组匝数相等。
说明：在以后的推导和式子中，定子侧参数均用下标1表示，转子侧参数用下标2表示。
将DFIG绕组等效为如图3-3所示的模型：
（1）电压方程
111111111111222222222222000000
0000000000
00000000000000a a a b b b c c c a a a b b b c c c p u i R u i R u i R u i R u i R u i R ψψψψψψ????-????????????????-??????????????-??=+??????????????????????????????????????????????
???? （3-6）
简写成： u R i p ψ=+ （3-7）
式中，111222,,,,,a b c a b c u u u u u u 为定、转子相电压瞬时值；
111222,,,,,a b c a b c i i i i i i 为定、转子相电流瞬时值；
1
11222,,,,,a b c a b c ψψψψψψ为定、转子各相绕组全磁链； 12,R R 为定、转子绕组电阻；
p 为微分算子，代表d dt
。 （2）磁链方程
111121212222i L L i L L
ψψ????????=????????????
（3-8） 其中，1111T a b c ψψψψ=????；2222T a b c ψψψψ=????
； []1111T a b c i i i i =-
；[]2222T a b c i i i i =； 111111*********
11112211221122m m m m m m m m m L L L L L L L L L L L L L ??+--??????=-+-??????--+???? 21222221222222212112211221122m m m m m m m m m L L L L L L L L L L L L L ??+--??????=-+-??????--+????
1221cos cos(120)cos(120)cos(120)
cos cos(120)cos(120)cos(120)cos r r r T
m r r r r r r L L L θθθθθθθθθ??+-??==-+????+-??
式中，每个绕组的磁链是它自身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和； 1
m L 为与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值； 2
m L 为与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的转子互感值（由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，所以可认为1m L =2m L ）；
11L ，12
L 分别为定、转子漏电感； r θ
为转子位置角（电角度）。 （3）转矩方程 21122111122T T T e p p r r r L i L L n i n i i i T θθθ?????==+????????? （3-9） 式中，e T 为电机的电磁转矩。
（4）运动方程
1g
g g r e r r p p p
d dt J D K T T n n n ωωθ-=++ （3-10） 式中，1T 为风力机提供的拖动转矩；
g J 为电机的转动惯量；
g D 为与转速成正比的阻转矩阻尼系数；
g K 为扭转弹性转矩系数。
对于恒转矩负载，0g D =，0g K =，则运动方程为：
1g r e p d dt J T
T n ω-= （3-11）
（5）功率方程 电机定子侧输出的瞬时功率表达式为
1111111a a b b c c p
u i u i u i =++ （3-12）
2.2.2坐标变换
由三相静止坐标系下的DFIG 数学模型可以看到，电机转子的旋转运动使得定转子之间的互感为转子位置角r θ的余弦函数，从而描述电机特性的数学模型是一组非线性、时变系数的微分方程组，复杂的电感矩阵给磁链分析带来困难，所以需要借助坐标变换，简化磁链关系和数学模型。
坐标变换的思想是，将一个三相静止坐标系里的矢量，通过变换用一个两相静止坐标系或两相旋转坐标系里的矢量表示，在变换时可采取模不变或者功率
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的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，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V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。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
毕 业 论 文 题 目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究 一、基本任务及要求： 1）基本数据：额定功率 600=N P KW 连接方式 Y 额定电压 V U N 690= 额定转速 min /1512r n N = 相数 m=3 功率因数 88.00=?s c 效率 96.0=η 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容： （1） 风力发电机的电磁设计方案； （2） 风力发电系统的研究； （3） 电机主要零部件图的绘制； （4） 说明书。 进度安排及完成时间： 2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目录 摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (10) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (10) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (10) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (20) 第3章风力发电机的设计 (27) 3.1 概述[11] (27) 3.2 风力发电机 (28) 3.2.1 风力发电机的结构 (28) 3.2.2 风力发电机的原理 (29) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (29) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (30) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (30) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (31) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (32)
第一章概述 1.1课题研究的目的和意义 数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按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，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。 表1-1 1996-2005年世界风电市场增长 从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。
基于Matlab的双馈异步风力发电机风电场仿真 仿真对象是一个由6台1.5MW双馈异步风力发电机组组成的9MW的风电场。这个风电场连接着一个25kv的分布式发电系统，它的电能通过35km长，电压等级为25kv的馈线（B25）输入到120kv的电网上。 一、仿真过程及结果分析 1、风速变化，风机的反映。 初始风速设定为8m/s，时间到t=4s，风速增长到14m/s。开始仿真。 图1 风速突然变化时输出的曲线（voltage regulation 模式）
有功功率随转速平稳的增长，用了18秒的时间到达额定9MW。这段时间内风机转速从0.8pu增长到1.21pu。桨距角从0度增长到0.76度，用来限制机械功率。通过调控无功功率来维持电压在1pu。额定功率时，风机吸收了0.68Mvar，从而控制电压不变。 图2 风速突然变化时输出曲线（Var regulation 模式）无功控制模式下，保持功率因数不变，从电网吸收一部分无功来并网（达到同步转速），因吸收无功，电压上升。 2、110kv系统电压突然下降的仿真。 风速不变8m/s。设置5s发生一次0.15pu的电压下降（在Time variation of 中选择Amplitude）。确保风机为无功控制。
图3 110kv电压突然下降（Var Regulation 模式） 用电设备的电流降至0，电动机转速逐渐下降。用电设备被分离出电网。 图4 110kv电压突然下降（voltage regulation模式） 采用Voltage regulation控制模式，用电设备没有被分出电网。因为电压下降时，风电场发出无功功率。
甘肃机电职业技术学院 现代装备制造工程系毕业论文风能和风力发电技术 姓名：酸菜 学号：G1******* 班级： G142701 年级： 2014级 指导老师：酸菜
摘要 (Ⅰ) 第1章风力发电的现状背景 (1) 1.1、风力发电的现状 (1) 1.2、风力发电的潜力 (2) 第2章风力发电类型特点 (4) 2.1风力发电特点 (4) 2.2风能发电优缺点 (4) 2.3风力发电结构 (4) 第3章发电机主要类型 (7) 3.1恒速风力发电机 (7) 3.2有限变速风力发电机 (7) 3.3变速风力发电机 (7) 第4章风力发电控制技术 (9) 4.1变桨距风力发电技术 (9) 4.2风力发电系统控制 (9) 4.3不同发电机的比较 (10) 第5章发展趋势建议 (12) 第6章总结 (13) 参考文献 (14) 致谢 (15)
风能是太阳能的一种转换形式，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。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将转速提高促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理是最简单的风力风力发电机可由叶片和发电机两部分构成，空气流动作用在叶轮上，将动能转化为机械能，从而推动叶片旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发电，从而产生电能。 关键词：风能，风力发电；
学号： 2010509044 浙江大学 毕业设计（论文）题目基于PLC的风力发电控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
双馈风力发电机并网运行控制及仿真 结合双馈异步风力发电机的运行特点，将矢量控制技术应用到双馈异步风力发电机并网控制中。构建了风力发电机空载并网与最大追踪控制策略，设计了基于LabVIEW、PXI8840及Compact RIO9035的硬件在环仿真系统。通过PXI能够观测到并网前、后定、转子电流、电压、功率等变化情况，为新型风力发电并网控制策略的研究提供了一个公共平台。 标签：双馈；矢量控制；最大风能追踪；LabVIEW；PXI Abstract：According to the operational characteristics of doubly-fed asynchronous wind turbine，vector control technology is applied to grid-connected control of doubly-fed asynchronous wind turbine. The no-load grid-connected and maximum tracking control strategy of wind turbine is constructed，and the hardware in loop simulation system based on LabVIEW，PXI8840 and Compact RIO9035 is designed. The changes of current，voltage，power and so on before and after the grid connection can be observed by PXI，which provides a common platform for the research on the grid-connected control strategy of new wind power. Keywords：doubly-fed；vector control；maximum wind energy tracking；LabVIEW；PXI 1 概述 風能作为一种可再生能源，具有高效，清洁等特点。风力发电技术在世界范围内也得到迅速发展[1，2]。 双馈异步风力发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）机组，通过控制发电机励磁，实现在发电机转速可调情况下的并网运行。采用矢量控制技术调节励磁，可以有效的调节发电机输出功率，在实现最大风能利用效率的同时，还可以调节电网的功率因数，提高电网的稳定性等[3-6]。 本文分析了DFIG机组运行特性，将定子磁链定向的矢量控制技术运用到机组控制策略中，制定控制策略。建立了基于LabVIEW的仿真系统，验证采用矢量控制技术对DFIG并网控制和最大风能追踪控制的精准性。 2 发电机的运行控制 2.1 发电机空载数学模型 为了准确调节DFIG并网前、后的端电压，本文采用磁场定向的矢量控制。为此，首先建立发电机内磁场定向旋转d-q坐标系的数学模型。
双馈式风力发电机结构原理及功率分析 摘要：文章详细介绍了双馈式风力发电机组的机构组成、工作原理，分析了风力发电系统中双馈式风力发电机的工作特性，详尽分析了含双馈式风力发电机的系统中功率的流向以及流动过程。 关键字：双馈式风力发电机、原理、功率 the structure and principle and power analysis of doubly —fed induction generator bai wenjun （china three gorges university ， college of electrical engineering & renewable energy ， yichang 443002 ， china）absrtact： this paper describe the structure and principle of the doubly—fed induction generator in detail ， and then analysis the operating characteristics of the doubly—fed induction generator in the wind power generation system， at the last ， analysis the flow and liquidity of the power system which contain the doubly—fed induction generator. keywords： doubly—fed induction generator， structure，power 0 引言 随着人们对可再生能源的重视和科学技术的进步，风电正受到越来越多的关注，其在整个电力系统中所占的比重也日益增加。众所周知，风电的产生正是通过风力推动桨叶转动，同时带动发电机的
小型家用风力发电机毕 业设计 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。 本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC—DC—AC 变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行了系统仿真。 关键词：风力发电机组；整流——逆变；继电控制 目录
引言 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的
第一章绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。 风力发电概述 1.1.1风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，2020年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，占当时世界总电消费量×104亿kWh的%。 世界风电发展有如下特点：
小型风力发电机毕业设计 摘要 基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。 关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机
Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator
变速恒频风力发电机组的无功功率极限 申洪，王伟胜，戴慧珠 （中国电力科学研究院，北京100085） 摘 要：根据变速恒频风电机组的工作原理，建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，该模型考虑了风力机、双馈电机及其转速控制的稳态特性。在此模型的基础上，提出了计算变速恒频风电机组无功功率极限的方法，并对一变速恒频风电机组进行了计算分析，验证了所提方法的可行性。 关键词：变速恒频风电机；双馈电机；无功功率极限 1 引言 近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。 虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。 风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。
双馈式\直驱式风力发电机的对比 【摘要】双馈式风力发电机与直驱式风力发电机是两种各有优势的机型，二者属于相互竞争的关系，同时它们也是相互促进的，这就是常说的有竞争就有进步，最终形成优势互补。本文对这两种机型分别进行了描述、比较，为这两种大型风力发电机的应用奠定一定的理论基础。 【关键词】齿轮箱；永磁电机；变速箱 前言 本文通过对直驱式和双馈式两种不同的风力发电机进行描述，并从二者的主要结构特性对其各自不同的优缺点进行分析阐述，以增进人们的了解，使其得到更好的应用充分发挥其自身机能和作用。 1、双馈式异步发电机 双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、EMD；德国VEM Sachsenwerk GmbH，LDW；瑞士ABB等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较小。调速范围达到30%额定转速，变流的容量只有系统容量的30%左右，变速恒频驱动和MPPT控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，定子接入电网，电网通过四象限AC-DC-AC 变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。 由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不断的变化，而且经常在同步转速上、下波动，为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现有的技术是采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM(脉宽调制)整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源，向发电机的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种技术的双馈式异步发电机其
国外风能电场电气论文 目录 摘要.................................................................I ABSTRACT................................................................II 第一章绪论.. (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 国外发展现状 (1) 1.3 本文的主要研究容 (2) 第二章风电场电气系统 (3) 2.1 电气的基本概念 (3) 2.2 电气部分的一般组成 (3) 2.3 风电场电气部分的构成 (5) 第三章风电机矢量控制技术的基本知识 (6) 3.1风力机特性 (6) 3.2 变速恒频发电系统 (7) 3.3交流电机调速控制策略 (8) 3.4双馈式发电机矢量控制策略 (9)
第四章双馈异步发电机 (13) 4.1 结构 (13) 4.2 双馈发电机变速恒频运行的基本原理 (14) 4.3 双馈异步发电机的功率传递关系 (16) 4.4 双馈式发电机控制 (17) 4.4.1 双馈异步风力发电机控制系统 (17) 4.4.2 转子变流器 (18) 4.4.3 PWM控制的基本原理及交—直—交变流器 (18) 4.4.4 系统的优越性 (19) 第五章风电机组有功无功特性的模拟与仿真 (20) 5.1 风电机组的建模 (20) 5.1.1 风模型 (20) 5.1.2 风轮模型 (20) 5.1.3 变桨系统模型 (20) 5.1.4 发电机模型 (21) 5.1.5 变流器及其控制部分模型 (21) 5.2 风电机组运行的模拟仿真 (24) 第六章基于Bladed的电气仿真 (25) 6.1 Bladed软件中对于电气参数的设置 (26)
能源环境 双馈式、直驱式风力发电机的对比 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司（黑龙江哈尔滨） 范磊 【摘 要】双馈式风力发电机与直驱式风力发电机是两种各有优势的机型，二者属于相互竞争的关系，同时它们也是相互促进的，这就是常说的有竞争就有进步，最终形成优势互补。本文对这两种机型分别进行了描述、比较，为这两种大型风力发电机的应用奠定一定的理论基础。 【关键词】齿轮箱；永磁电机；变速箱 前言 本文通过对直驱式和双馈式两种不同的风力发电机进行描述，并从二者的主要结构特性对其各自不同的优缺点进行分析阐述，以增进人们的了解，使其得到更好的应用充分发挥其自身机能和作用。 1、双馈式异步发电机 双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、EMD；德国VEM Sachsenwerk GmbH，LDW；瑞士ABB等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较小。调速范围达到30%额定转速，变流的容量只有系统容量的30%左右，变速恒频驱动和MPPT控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，定子接入电网，电网通过四象限AC-DC-AC变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。 由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不断的变化，而且经常在同步转速上、下波动，为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现有的技术是采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM(脉宽调制)整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源，向发电机的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种技术的双馈式异步发电机其转速控制范围可达到同步转速的60%。为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。 有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠性差，需要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。 齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。 2、直驱式永磁同步发电机 所谓“同步”发电机，就是指发电机转子磁场的转速(原动机产生)与定子磁场的转速(电力系统频率决定)相等。这种无齿轮箱变浆距变速的风力发电机组，其风轮轴直接与发电机联接。永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出故障的转子上的集电环和电刷装置，成为无刷电机，不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构简单，运行可靠。 这种风力发电机要求全功率变流器，在与电网合闸前，为避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件，端电压、频率与电网必须相同。要求发电机具有高质量地将风能转化为频率、电压恒定的交流电，高效率地实现机电能量转换。 永磁直驱式风力发电机其特点是电机转速低，极数多，结构简单，无变速箱，可靠、长寿命，低噪声，大功率，无滑环，安装和维护费用低。但不足之处是体积大，有失磁之忧，且转子的制造难度比较大。同时这种风力发电机制造成本较高，是双馈变速恒频机的1.3倍。 德国埃纳康（Enercon GmbH）公司在1993年研制成功了直驱式风力发电机，1997年将产品推向了市场，这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，已开发了容量为330kw、800kw、900kw、2000kw和2300kw的多种机型。2000年，瑞典ABB 公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，该机高约70米、风扇直径约90米。2003年，日本三菱重工完成MWT-S2000型风力发电机的研制工作，这种直驱式风力发电机组采用的是永磁同步电机。2004年德国西门子公司通过收购世界著名的丹麦Bonus Energy(柏纳斯)公司也开发了直驱式风力发电机。 目前，还有荷兰Wi ndbrokers公司，荷兰Emerg ya Wi nd Technologies NV(EWT)、德国Innovative 公司，德国Vensys公司、德国Avavtis公司、瑞典的ABB等公司，韩国Unison公司和国内的新疆金风科技股份有限公司、湖南湘电风能有限公司、东风汽轮机厂、上海万德风力发电股份有限公司、广西银河艾万迪斯风力发电有限公司、常州新誉风力发电设备有限公司、哈尔滨电站设备集团公司、中国运载火箭技术研究院、江西麦德风能股份有限公司等都在研制直驱式风力发电机。 新疆金凤科技股份公司已在2006年与德国Vensys公司合作研制出1.5兆瓦直驱式风力发电机。2007年湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，并在2007年11月成功完成了2兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组试车；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合研制的2.5兆瓦直驱变桨风力发电也将于2008年下半年完成样机。永磁材料钕铁硼的最高工作温度较低。一般为80℃左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度也只能是240℃。如果永磁同步发电机通风系统出现问题，过高的温度会造成永磁材料磁性能降低，甚至不可逆去磁。 尽管永磁电机已经过了几十年的研究，但其设计至今还没有一套系统的公式和经验曲线作为依据。变速恒频风力发电系统中的直驱永磁风力发电机的外形尺寸大、工作转速低，通常是一种扁平状的结构。 3、结论与展望 风电发展以来，直驱与双馈两种机型就一直是竞争关系。随着风电行业的继续发展，直驱与双馈两种机型的性能的优缺点会不断的显露出来，性能和成本会成为最主要的考核指标。
风力发电机控制系统 风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30％以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gem sa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向 而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统(OS)上， 支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。
毕业设计说明书(论文) 作者：傅兴元学号：0445201 院系：自动化工程学院仪器科学与技术系 专业：测控技术及仪器 题目：风力发电综述 指导者：仇林庆副教授 评阅者： 2008 年 6 月吉林
摘要 当今能源日趋紧张, 能源多样化逐渐得到人们的关注。研究开发可再生能源来补充或替代常规能源, 得到世界各国的广泛重视。风能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,已日益受到我国政府的重视,由于我国风力资源丰富,且风力发电机制造成本在逐年下降,因此风力发电前景广阔。本文主要介绍了世界风力发电的现状、风力发电原理、风电的经济性、风电场的建设过程、风电机组和电网介绍、风力发电控制系统、风车的组成和维护、风力发电对环境的影响和自身的特点,以及风电的发展前景。同时，还分析了制约我国风力发电的因素和风力发电与其他发电方式的区别。 关键词：风力发电；风电场建设；环境影响；制约因素；发展前景 -I-
ABSTRACT As the energy become more and more tensive today, energy diversification ,especially researching and developing the renewable energy to supplement or replace conventional energy sources,is payed more attention by all countries in the world. Wind energy as inexhaustible and renewable sources of clean energy, has been increasingly attended by our government. as the rich wind resources and the decreased cost of the wind turbine manufacturing year by year, wind power had a broad prospect. This paper mainly describes the status of wind power in the world, the theories of wind power , the economic of wind power, the constructive process of wind power field, the introduction of the wind power unit and power, control system of wind power, the composition and maintenance of windmills, influence on the environment of wind power and its own characteristics and the prospects of the development of wind power. At the same time, analyzing the factors of restricting wind power of our country and the distinctions of wind power and others. Keywords:Wind Power; The construction of wind power; Environmental influece; Restrictive factors; Development prospects -II-