2012年3月电工技术学报Vol.27 No. 3 第27卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2012
永磁电机在风力发电系统中的
应用及其发展趋向
王凤翔
（沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870）
摘要永磁电机具有功率密度大、效率高和运行可靠等优点，在风力发电系统中得到广泛的应用。然而由于稀土永磁材料的成本较高，永磁风力发电机也面临着如何提高性能价格比的挑战。
本文在对比分析高速、中速和低速直接驱动风力发电系统的特点与性能的基础上，阐述了永磁风力发电机的关键设计技术；分析了电机结构、极数和槽数配合对于电机性能的影响，防止永磁体失磁的方法以及发电机与变流器参数的合理匹配问题。此外，还论述了永磁风力发电机设计与控制技术的发展趋向。
关键词：风力发电系统永磁发电机设计特点关键技术发展趋向
中图分类号：TM351
Application and Development Tendency of PM Machines in
Wind Power Generation System
Wang Fengxiang
（Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China）
Abstract Permanent magnet(PM) machine has advantages of high power density, high efficiency and high reliability, and has been using widely in the wind power generation systems. However, the PM wind generators face the challenge of how to increase the ratio of performance to the cost due to the expensive rare earth PM material. In this paper, based on the comparative study on the feature and performance of PM generators for high speed, medium speed and low speed direct-driven wind power generation systems, the key design techniques of PM wind generators are explained. The influence of machine structure and combination of pole-slot number on the performance, the prevention of permanent magnet from demagnetizing, and the reasonable matching between generator and converter are analyzed. Besides, the development tendency of design and control technology of the PM wind power generators is discussed.
Keywords：Wind power generation system, permanent magnet generators, design feature, key technique, development tendency
1引言
风能作为一种清洁和可再生能源获得越来越广泛的应用，风力发电更是成为近年来获得迅速发展的能源应用领域。风力发电有两个突出的特点：一是风能密度不够大，要获得大功率的风能需要采用直径很大的风力机，对于MW级的风力机，桨叶直径需要数十米甚至上百米，风力机的转速很低，只有10～20r/min；二是风速和风向的多变和不稳定性，为了获得电压和频率稳定的电能，风力发电机需要采用变速恒频控制技术[1]。
在输出功率相同的条件下，电机的体积近似与电机的转速成反比，为了减小发电机的体积以降低电机的成本，可通过多级增速机构将风力机的转速
收稿日期 2012-03-15
第27卷第3期王凤翔永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向 13
增至1 000～2 000r/min，然后驱动风力发电机。采用高速发电机虽然电机成本降低了，然而所增加的齿轮箱由于机械磨损和润滑需要定期维护，成为风电系统的故障多发部位[2]。据统计1997～2005年期间瑞典风电场中，齿轮箱和发电机的故障率分别为风电系统总故障的19.4%和8.9%，而1996～2004年期间芬兰风电场中齿轮箱和发电机的故障率分别占风电系统故障率的32%和4%，齿轮箱是整个风电系统中故障率最高的部件[3,4]。为了提高风电系统的可靠性和降低运行成本，近年来开始推行取消增速箱采用低速风力机直接驱动的风力发电系统，虽然发电机的体积和成本增加，但系统效率和发电量增加而运行成本降低。随着单机功率的增加，低速直驱风力发电机的体积和重量越来越大，3MW以上的直驱发电机的外径超过5m，受铁路和公路的限制，难以在陆地上整体运输，因此又出现了中速（又称为半直驱）风力发电系统，即采用1～2级齿轮箱将风力机的转速增至250～500r/min，这是在高速和低速风力发电机之间的一种折中方案，一方面可减小发电机的体积和降低制造成本，另一方面可降低对增速机构的要求，在一定程度上减小了齿轮箱的故障率[5]。
针对风力机转速变化实现变速恒频的发电技术，通常有两种途径：①采用绕线转子感应电机的双馈运行方式，针对发电机转速的变化，适时调节转子绕组电流的频率、幅值、相位和相序，实现定子绕组输出电压的恒频恒压控制；②在变速运行风力发电机的输出端，采用电力电子功率变换器，将频率和幅值变化的交流电转变为频率和幅值恒定的交流电能。在后一种变速恒频系统中，虽然可以采用各种类型的交流发电机，如电励磁的凸极和隐极同步发电机，感应发电机和磁阻发电机等，但这些电机在功率密度和电机效率上都无法与永磁电机相比拟。例如，传统电励磁的同步发电机与永磁发电机相比，不仅励磁绕组需要增加电机的体积和重量，而且由于励磁绕组的功率损耗，电机的效率要损失2～4个百分点。因此，永磁发电机无疑是采用电力电子功率变换器变速恒频风力发电系统的最佳选择[2]。
综上所述，从电机转速看，可分为高速、中速和低速三种结构风力发电系统，而从变速恒频风力发电机类型来看，主要有交流励磁的双馈感应电机和不需要励磁的永磁电机两种。由于双馈电机也是一种电励磁电机，励磁功率随着极数的增加而增大，不适合于多极低速风力发电系统。综合电机转速和电机类型来看，目前在MW级风力发电系统中获得实际应用的主要有以下四种：①高速双馈感应发电机（DFIG）；②高速永磁发电机（HSPM）；③中速半直驱永磁发电机（MSPM）；④低速直驱永磁发电机（DDPM）[1,6]。
本文将首先针对上述四种不同结构风力发电系统的特点与性能进行对比分析，然后阐述永磁风力发电机的设计要点和关键技术，最后讨论永磁风力发电机的技术发展趋向。
2不同结构风电系统的特点与性能对比
2.1不同结构风力发电机的特点
四种不同结构风力发电系统的示意图如图1所示。除了低速直驱以外，高速和中速风电系统皆需要增速齿轮箱，而采用永磁发电机的系统皆需要全功率的功率变换器。从发电机来看，不同的风电系统有其自身的设计特点。
（a）高速双馈电机风力发电系统（DFIG）
（b）高速永磁电机风力发电系统（HSPM）
（c）中速半直驱永磁电机风力发电系统（MSPM）
（d）低速直驱永磁电机风力发电系统（DDPM）
图1 不同结构风力发电系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of different structure
wind power generation systems
14 电工技术学报 2012年3月
2.1.1 DFIG系统
由于双馈电机定子绕组电压的频率受电网频率制约，电机的变速运行范围有限，因而当额定转速确定之后双馈电机的极数随之确定。例如，对于一台额定转速为1 750r/min的DFIG电机，运行速度范围1 000～2 000r/min，需采用采用4极电机，当电网频率为50Hz时发电机的同步转速为1 500r/min。由于转子绕组变流器的功率仅为转差功率，与永磁发电机所需全功率的变流器相比，所需功率较小，成本较低。
由于额定转速远高于同步转速，在额定转速运行时双馈发电机转子绕组的电流频率较高，转子铜耗和铁耗比一般感应电机大得多。此外，变流器供电系统的谐波电流也会产生转子附加损耗，因此在DFIG电机设计中需要充分考虑转子的散热问题。
2.1.2 HSPM系统
在高速风力发电系统中，用永磁电机取代双馈电机的优点为：①取消了转子的集电环和电刷，提高了电机的运行可靠性；②减小了转子的铜耗和铁耗，提高了电机的效率；③减小了电机的体积和重量，提高了电机的功率密度。以ABB公司1.5MW高速永磁风力发电机为例，与同功率的双馈风力发电机相比，电机尺寸可由 3 150mm×1 600mm×1 850mm减小至2 500mm×1 700mm×1 800mm，重量由6t降至5t。
由于采用全功率变流器，发电机输出电压的频率不受电机转速的限制，为永磁发电机的设计提供了较大的灵活性。例如对于额定转速1 500r/min的永磁发电机，极数不一定选4极，从提高功率密度和降低电机成本来看，采用6极或8极更为有利。图2为在相同运行条件下不同极数1.5MW永磁发电机主要材料用量的对比。可以看出，8极比4极电机主要材料净重减小30%。虽然8极电机的频率
图2 不同极数高速永磁风力发电机定转子
主要材料用量对比
Fig.2 Material consumption comparison of high speed PM wind generator with different poles 为4极电机的2倍，单位重量铁耗会增大，但由于8极电机轭部厚度比4极减小一半，故电机的总铁耗并未增加，8极电机的效率甚至高于4极电机。
考虑到永磁体可以承受较大的压应力而承受拉应力的能力很低，HSPM系统中的永磁转子一般采用埋入式结构，将永磁体插入转子铁心的槽中，使永磁体在高速旋转中承受压应力。
2.1.3 MSPM系统
中速风力发电系统是高速和低速风力发电系统的一种折中方案。相对来说，中速永磁风力发电机的设计比较灵活，比较困难的是发电机额定转速和运行速度范围的选取，即增速机构和速比的选取。需要综合考虑风力机、变速箱和发电机传动链的参数匹配，变速箱的性能和运行可靠性以及发电机的性能价格比等多方面因素，确定增速箱的结构和传动速比[7]。
MSPM系统一般采用一级或两级增速机构。如东方电气与芬兰Switch公司联合开发的1.65MW半直驱永磁风力发电机的额定转速为150r/min，采用一级变速，当风力机额定转速为17r/min时，变速箱速比为8.82。德国Multibird公司5MW半直驱永磁风力发电机的速度范围为58.6～146.9r/min，采用速比为9.92的一级行星增速箱。沈阳华创风能有限公司3.6MW和5.0MW半直驱永磁风力发电机，额定转速分别为350r/min和575r/min，皆采用二级变速机构[8]。
2.1.4 DDPM系统
兆瓦级直驱永磁风力发电机的特点是转速低、直径大、极数多、频率低和绕组匝数多，由此决定了与高速和中速永磁电机不同的设计特点。由于低速永磁电机体积大、用料多，特别是永磁材料价格昂贵，其用量直接关系到电机的成本，因此，进行优化设计和提高电机的性能价格比，就显得尤为重要[9,10]。
DDPM系统的永磁发电机设计，需要重点考虑以下几方面的问题：
（1）电机结构的选取：永磁电机有多种结构形式，从磁路的路径可分为径向磁通、轴向磁通和横向磁通结构等，每种磁通结构又可分为多种定转子结构[11-13]。不同结构形式对于电机的性能和制造成本有着重要的影响。目前DDPM系统采用最多的是具有传统径向磁通结构的内转子或外转子永磁发电机。由于电机转子表面的圆周速度较低，永磁体可采用面贴式结构，即将永磁体直接黏贴在转子铁心
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表面并加以固定。
（2）电机极数和槽数的选取：由于低速直驱永磁电机的定子直径较大，而发电机输出电压的频率不受电机转速的限制，为永磁发电机极数和槽数的选取提供了更大的灵活性。增加极数可以减小定转子铁心轭部的截面积，同时可缩短定子绕组端部的长度，有利于减小电机的体积和损耗，因此DDPM 一般采用多极多槽结构。
在选取电机极数和槽数时，要考虑多方面的影响因素，特别是极数和槽数的配合问题，一般采用每极每相分数槽绕组，同时适当选取永磁体的极弧宽度，以最大限度减小齿槽脉动转矩[14]。
（3）电磁负荷的选取：低速直驱永磁发电机定子铁心中的磁通变化频率很低和铁耗很小，可适当增加铁心中的磁通密度，但不宜通过增加永磁体用量来提高磁负荷。此外，由于定子绕组匝数较多，定子绕组铜耗占电机总损耗的绝大部分，从提高电机效率考虑，需要适当控制定子绕组的电流密度，不可选取过高。
（4）冷却方式的选取：高速永磁风力发电机，由于体积小热负荷大，一般需要水冷方式。低速直驱风力发电机由于体积大有较大的散热面积，一般采用强迫风冷方式就可以达到散热要求。特别是可以在定子机壳外表面加散热筋，充分利用穿过风力机的强大气流进行自然风冷，如图3所示[15,16]。
图3 利用通过发电机定子外表面的
气流进行自然风冷
Fig.3 Natural cooling by use of air passing through the
stator outer surface
2.2不同结构风力发电机的性能对比
下面对于不同结构风力发电机进行运行性能的对比。
2.2.1运行效率
以额定功率2MW的变速恒频风力发电机为例，在相同运行条件下，不同结构风力发电机的运行效率（包括增速机构的传动效率）计算值如图4所示[17]。显然，低速直驱永磁风力发电机的效率最高，
而双馈发电机的效率最低，特别是在低于60%额定
风速时，永磁风力发电机的优势更为明显，当风
速低于35%额定风速时，双馈发电机难以正常发
电。
图4 不同结构风力发电系统电机效率对比
Fig.4 Efficiency comparison of different
wind power generators
2.2.2年发电量
同样以额定功率2MW的发电机为例，对于三
种平均风速不同结构风力发电机年发电量的对比见
表1[17]。可以看出，对于平均风速5.4m/s的低风速
情况，低速直驱永磁风力发电机的年发电量最多；
而对于中等和较高平均风速，中速永磁风力发电机
的发电量最多。各种风速条件下，双馈发电机的发
电量皆为最少，由此可以看出永磁风力发电机的优
势所在。
表1不同结构风力发电机的年发电量对比
Tab.1 Comparison of annual energy output
for different structure wind generators
结构
平均风速/
（m/s）DFIG HSPM MSPM DDPM
5.4 2 535MWh
100%
2 535MWh
104.7%
2 535MWh
108.3%
2 535MWh
108.5%
6.8 4
041MWh
100%
4 146MWh
102.6%
4 263MWh
105.2%
4 233MWh
104.3%
8.2 5
338MWh
100%
5 427MWh
101.7%
5 566MWh
104.4%
5 499MWh
103.0% 排名 4 3 1 2 2.2.3运行可靠性
由于无集电环电刷、无变速箱和轴电压低，直
驱永磁风力发电机最为可靠，低速、中速和高速永
磁发电机的运行可靠性依次排名前三位，而双馈发
电机的运行可靠性最差（见表2）。
16
电 工 技 术 学 报 2012年3月
表2 不同结构风力发电机的运行可靠性对比 Tab.2 Comparison of operation reliability
结 构
DFIG HSPM MSPM DDPM
特点 有集电环电刷 3级变速箱 轴电压高
无集电环电刷3级变速箱 轴电压低
无集电环电刷 1～2级变速箱 轴电压低
无集电环电刷
无变速箱 轴电压低
排名
4 3 2 1
2.2.4 低电压穿越和无功补偿能力
对于并网型风力发电机，除了能够输出稳定和波形良好的电能外，还需要有无功补偿能力和电网故障时的低电压穿越能力。由于双馈发电机的定子绕组直接并网，转子励磁电流受变流器容量制约，其低电压穿越和无功补偿能力受到限制[18,19]。
永磁发电机输出通过全功率变流器并网，其输出电能质量和无功补偿及低电压穿越能力要比双馈发电机好得多[19,20]。 2.2.5 制造成本
不同结构风力发电系统的制造成本，受原材料、加工费和市场物价等多方面因素的影响，难以准确对比。文献[23]提供了一台采用三级增速机构的3MW 双馈风力发电机（DFIG ）与直驱永磁风力发电机（DDPM ）的成本对比，可供参考。如图5所示，DDPM 系统总成本约高出DFIG 系统34%。DFIG 系统中，增速机构占了DFIG 系统成本的三分之二以上；而DDPM 系统中，辅助部件和变流器占总成本的63%，永磁体仅为有效部件的一部分，其成本在系统总成本中所占比例不算太大。
图5 3MW 双馈发电机与直驱永磁发电机成本对比 Fig.5 Cost comparison of 3MW DFIG with DDPM
发电机是风力发电系统的一个部件，其成本在系统总成本中的比例，可用图6来说明。图6是基于文献[21]所提供数据绘制的一台2MW 直驱永磁风力发电系统部件成本的分布图。可以看出，风力机占系统成本的29%，其次是发电机，占系统成本的25%。随着风力发电机功率的增大，电机成本在系统总成本中的比例会相应减小。对于海上风电机组，可靠性和高效率无故障运行是评价风电机组性
能的主要指标，虽然直驱永磁风力发电机的成本稍高，但由于结构简单、运行可靠和高效率，是风电机组的最佳选择。
图6 2MW 直驱永磁风力发电系统成本分配 Fig.6 Cost distribution of 2MW DDPM
wind power generation system
3 永磁风力发电机的关键设计技术
虽然高速、中速和低速风力发电系统有不同的特点，但作为永磁风力发电机，有其设计中需要考虑的共性问题。
3.1 永磁电机结构型式的选取
按照磁通在电机中的走向，永磁电机可分为三种类型，即径向磁通永磁电机、轴向磁通永磁电机和横向磁通永磁电机，其基本结构如图7所示[11,22]。
图7 不同磁通方向的永磁电机 Fig.7 Permanent magnet machines with
different flux directions
3.1.1 径向磁通永磁电机
径向磁通电机中永磁体产生径向磁通，有内转子和外转子不同结构形式，转子上永磁体的安装又分为面贴式、插入式和埋入式等不同方式[23]。径向永磁电机的优点是：结构简单，制造方便，电机的气隙直径和轴向长度可以独立选取，能够满足不同转速和功率范围的要求，是目前永磁风力发电机中应用最多的一种。 3.1.2 轴向磁通永磁电机
轴向磁通电机中永磁体产生轴向磁通，具有多种结构形式，如有槽式和无槽式，双转子，双定子
第27卷第3期王凤翔永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向 17
等[24-27]。轴向永磁电机的优点是：绕组简单，高转
矩密度，无槽式转矩脉动和噪声小；缺点是：无槽
式需要较大外径和较多永磁体，有槽铁心加工困难，
大直径盘式结构保持定转子之间的均匀气隙比较困
难，与径向磁通结构相比电机较重。该种电机在大
型直驱风电系统中尚未得到推广应用[23]。
3.1.3横向磁通永磁电机
横向磁通永磁电机中的磁通路径是垂直于转子
旋转方向，它可以在不减小主磁通有效空间情况下
增加绕组空间。该种永磁电机也有多种不同的拓扑
结构，如爪极式、单边式、双边式、E形铁心、C形
铁心等[23, 28-30]。横向磁通永磁电机的优点是：较高
的力能密度、绕组简单和具有较低的铜耗。缺点是：
结构复杂制造困难，具有三维的磁通路径和较大漏
磁，力能密度优势随着气隙的增大而降低。
根据有关文献对于不同结构永磁电机的综述和
对比研究，径向磁通永磁电机是目前大型（特别是
低速直驱）风力发电系统的主要机型；轴向磁通永
磁电机较适合外径不太大的应用场合，目前尚未在
兆瓦级低速直驱风力发电系统中应用；横向磁通永
磁电机较适合于气隙较小（气隙长度与电机外径之
比≤0.001）的应用场合，难以在具有较大气隙的大
型直驱风力发电系统中应用[23, 31]。
3.2减小齿槽脉动转矩的方法
齿槽转矩是由于转子永磁体相对定子铁心齿槽
不同位置产生的一种脉动转矩，会产生电机振动、
噪声和起动阻力矩等不利影响，齿槽脉动转矩大小
是评价永磁电机性能的一项重要指标。减小永磁发
电机齿槽脉动转矩的方法有以下几种[32-35]。
3.2.1采用每极每相分数槽绕组
理论和实践证明，采用分数槽绕组是减小齿
槽转矩的有效方法。电机的每极每相槽数可表示
为
2Z c
q b
pm d
==+（1）式中，Z、p、m分别为电机的槽数、极对数和相数；b为整数；c/d为不可约真分数。
选取上式中分母较大的d值可有效地减小齿槽转矩。图8为具有不同极槽配合的1.5MW直驱永磁风力发电机的齿槽脉动转矩对比[15]。
由图8可以看出，采用78极324槽的极槽配合（每极每相槽数q的分母d=13），永磁风力发电机的空载和负载转矩脉动，要比120极432槽（d=5）设计方案小得多。
图8 不同极槽配合1.5MW DDPM齿槽脉动转矩对比Fig.8 Cogging torque comparison of 1.5MW DDPM with
different pole-slot combination
3.2.2合理选取极弧系数
一般采用极弧系数（磁极宽度与极距之比）表征不同尺寸电机中永磁体宽度的影响。极弧系数的大小，关系到永磁体相对于定子铁心齿槽的相对位置，直接影响到电机的齿槽脉动转矩。通过合理选取极弧系数可以削弱齿槽脉动转矩。
需要注意的是，极弧系数的选取，不仅影响齿槽转矩，而且关系到永磁体产生的每极磁通大小、永磁材料用量和电机成本。因此，在选取永磁体宽度和极弧系数时，需要综合考虑多方面的要求，进行优化设计[36]。
3.2.3斜槽或斜磁极
斜定子槽或转子磁极是电机设计中消除齿槽转矩的传统和有效方法，然而大功率的风力发电机采用斜槽或斜磁极会造成制造工艺上的困难，因此在采用其他方法可以消除齿槽转矩的情况下，尽可能避免采取斜槽或斜磁极方法。
3.2.4采用不对称极宽
对于每极每相整数槽绕组，可将磁极分组采用不等宽磁极，构成相对于定子绕组对称的磁极单元，可以达到类似于分数槽方式消除齿槽脉动转矩的效果，对于面贴式永磁转子，其工艺性并不十分复杂。
3.3永磁体的防失磁措施
永磁体的磁性能稳定性是永磁风力发电机长期可靠运行的保证。除了采取永磁体防氧化、腐蚀和机械损伤措施外，还需要采取防失磁措施。
目前永磁风力发电机的永磁体多采用钕铁硼材料，可能发生的失磁主要来自两个方面：一是温度
18 电工技术学报 2012年3月
过高超过永磁材料所允许的工作温度；二是定子绕组电流产生的去磁磁场过大超出了永磁体所允许的范围。防止失磁的主要措施如下所述。
3.3.1选用耐高温的永磁材料
永磁电机的转子工作温度较高，需要选用允许工作温度较高（＞150℃）的永磁材料，永磁体充磁后需要进行热老化，使其有较好的热稳定性[37]。3.3.2减小永磁体的损耗和保证良好的散热条件
定子齿槽结构和绕组电流非正弦产生的空间和时间谐波，将在永磁体中产生涡流损耗。为了减小永磁体的损耗和发热，最好在面贴式永磁体的表面加导电或导磁的屏蔽套。导电屏蔽套可使气隙磁场高次谐波在其中产生涡流从而阻止谐波磁场进入永磁体；而导磁屏蔽套可为气隙磁场高次谐波提供闭合回路，从而削弱进入永磁体的磁场谐波。永磁体采用屏蔽套，对于定子绕组电流产生的去磁磁场也有一定的屏蔽作用，有利于永磁体的防失磁保护[38]。此外，增大定转子之间的气隙，不仅可减小永磁转子的涡流损耗，而且有利于转子的散热[37]。
需要采取有效的永磁转子散热措施，要分析计算发电机工作在最大负载和最高环境温度下的电机内温度分布，确实保证永磁体的工作温度在所允许的范围之内[16]。
3.3.3选取永磁体尺寸时要充分考虑最大去磁情况
矫顽力反映了永磁体承受反向去磁的能力，钕铁硼永磁体的矫顽力随着温度的增高而减小。要按最高工作温度下可能产生的最大去磁条件下，选取永磁体沿磁化方向上的长度，使永磁体的工作点在退磁曲线的拐点以上。需要说明的是，永磁体的失磁是从局部开始的，采用传统等效磁路法计算出的工作点，可能不能反映发生永磁体局部失磁情况，需要采用场路耦合方法，计算最大去磁情况下永磁体的磁场分布，核算是否有发生局部失磁的可能性[16,37,38]。
永磁风力发电机的最大去磁情况，通常按定子绕组发生三相突然短路考虑，需要指出的是，三相短路不一定电流冲击最大，有时两相短路电流可能比三相短路还大。图9所示为一台1.5MW直驱永磁风力发电机两相短路和三相短路电流的比较，两相短路电流最大值7 081A，高于三相短路电流最大值6 880A[15]。
3.4发电机与变流器的参数匹配
对于永磁风力发电系统，发电机与功率变流器是不可分的，设计中必须考虑二者之间的参数配合
图9 1.5MW直驱永磁风力发电机三相与
两相短路电流对比
Fig.9 Comparison of 3-phase and 2-phase short-circuited currents for a 1.5MW DDPM wind generator
问题。变流器实现功率变换，需要知道永磁发电机的等效电路模型参数和不同转速下的电压、电流和功率曲线。从机侧变流器的过电压保护考虑，特别关心最高转速下永磁发电机的最大空载电压值。受变流器开关器件和电路元件最高允许工作电压的限制，如果永磁发电机的空载电压过高，将会危及变流器的安全。
从永磁发电机的角度考虑，除了要求电控系统和变流器能够实现发电机有功和无功功率的动态控制及故障监测和保护外，还要求变流器产生的电压和电流谐波不能在电机中产生较大的附加损耗和造成对于绕组绝缘的危害。为此，要求在机侧变流器与发电机之间装设滤波器，并对变流器产生的d u/(d t) 提出限制，例如，对于额定电压690V的发电机，一般要求d u/(d t) 值不大于1000V/μs。考虑到变流器电压和电流谐波对于发电机的影响，需要加强永磁发电机的绕组绝缘。
4永磁风力发电机的发展趋向
风力发电机总的发展趋势是大型化，海上风电机组的功率一般为3～10MW，要求发电机具有高效率、高功率密度和高可靠性。虽然永磁风力发电机最为适合上述要求，然而需要从电机结构、制造工艺、冷却方式、功率变换和控制策略等方面，进行不断的创新探索和应用实践。
4.1电机结构型式
4.1.1超大直径超薄永磁电机
增大气隙直径通过提高圆周速度可减小电机的体积和重量。文献[39]提出了一种称之为NewGen 的超大直径和超薄的直驱永磁风力发电机，其结构如图10a所示。
NewGen 是一种径向磁通外转子永磁电机，定转子是两个直径很大的薄环，转子直接固定在风力
第27卷第3期王凤翔永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向 19
机上随叶轮一起转动，定子通过轭部突缘上的拉杆固定，类似自行车轮的辐条，可保证定子的刚度。定转子之间的传动是通过固定在定子上的多个钢轮在转子滑道中转动实现的，可保证气隙不变。
对于额定转速19r/min额定功率4MW的NewGen 永磁风力发电机，定子内径9m，轴向有效长0.35m，据计算，该电机总重只有36.9t，而传统结构的低速直驱和齿轮增速的发电机分别为136.8t和61.3t。可以说NewGen是一种最轻的永磁风力发电机，该种电机的可行性已在一台140kW样机上进行了验证，图10b所示为试验样机的定子。
(a) 电机结构示意图 (b) 140kW样机定子
图10 超大直径永磁风力发电机[39]
Fig.10 PM wind generator with super large diameter[39] 4.1.2无铁心定子永磁电机
定子铁心在电机总重量中占有较大的比例，采用无铁心定子不仅能够减小电机的重量，而且可以消除齿槽转矩脉动和降低电机的振动和噪声[40]。文献[41]提出了一种双转子的无铁心定子盘式永磁风力发电机，采用了印制电路板的绕组结构，如图11所示。据计算，一台 2.5MW的直驱永磁风力发电机，采用上述无铁心绕组结构，可将电机重量由原来的55t降低到28t，约50%，可见对于减轻电机的重量十分有效。然而，由于无铁心绕组电机的气隙较大，要产生足够大磁负荷所需要的永磁体较多，该电机需要3t的永磁体，约比传统结构永磁电机增加一倍，而且由于结构和工艺比较复杂，其制造成本不一定低于传统结构电机。
图11 无铁心定子双转子盘式永磁风力发电机[41] Fig.11 PM wind generator with coreless stator dual rotor[41]4.1.3组合式永磁电机
为了减小电机体积和提高功率密度，不仅提出了多定子和多转子的轴向磁通和横向磁通永磁风力发电机，而且传统径向磁通结构的永磁电机，也出现了内外转子电机组合式的永磁风力发电机。图12所示为径向磁通组合式永磁风力发电机的两种组合方式，图12a为将一台内转子永磁电机放入另一台外转子永磁电机的内腔之中，然后将两个定子合并为共用铁心的一个定子[42]；而图12b则为将一台外转子放入另一台内转子电机的内腔之中，然后将两转子连接在一起。
(a) 内外转子电机组合
方式一
(b) 内外转子电机组合
方式二
图12 组合式永磁风力发电机
Fig.12 Combinational PM wind generators
相比之下，后一种组合方式电机加工制造和装配更为方便。两个转子组合可以采用共用转子铁心的N-S型永磁体结构，也可以采用具有隔磁间隙的独立转子铁心的N-N型永磁体结构。采用N-N型永磁体结构的内外转子电机没有电磁耦合关系，可以独立运行，有利于发电机的冗余化控制。据计算，在一台3MW的内转子直驱永磁风力发电机的内腔中插入一台2MW的外转子永磁电机，在不增加外形尺寸的情况下，可构成一台额定功率为5MW的直驱永磁风力发电机[43]。
4.2电机制造工艺
为了便于加工制造、运输、现场安装和维修，大型风力发电机的设计制造工艺正在向模块化方向发展。将电机的定转子划分为电磁对称的多个单元，电机各部件按模块生产，然后在现场进行组装。图10～图12中的电机都可以进行模块化设计和加工制造。
传统分布短距双层绕组线圈之间相互叠压，不容易分瓣进行模块化生产。近来采用一种单层集中绕组结构，线圈之间没有叠压关系，不仅有利于绕组的加工制造和实现电机的模块化，而且由于每个线圈套在一个定子齿上，大大缩短了绕组的端部长度，可减少绕组的用铜量和损耗。同时，由于可采
20 电工技术学报 2012年3月
用分数槽集中绕组，同样可以减小电机的齿槽脉动转矩[44,45]。
4.3电机冷却技术
低速直驱永磁风力发电机，由于体积和散热面积较大，一般采取自然和强迫风冷。大功率的中速和高速永磁风力发电机，由于热负荷较大及散热面积有限，多采用水冷方式。改进散热条件和增加散热能力，有利于提高电机的电磁负荷从而减小电机的体积和重量。近来对于风力发电机采用先进冷却技术的研究十分活跃。
4.3.1蒸发冷技术的应用
蒸发冷却是一种新型冷却方式，已成功应用于大型汽轮发电机和水轮发电机[46,47]，也可以在大型风力发电机中推广应用。中科院电工所与沈阳华创风能有限公司合作，率先开展了风力发电机蒸发冷却技术的应用研究，所研制的蒸发冷中速半直驱3.6MW永磁风力发电机已经下线[8]。采用蒸发冷却，可以提高电机的热负荷，有利于减小电机的体积和重量，较适合于高速永磁风力发电机。在低速直驱发电机中，由于匝数较多绕组损耗在电机总损耗中占主导地位，增加绕组电流密度会导致绕组损耗增加和电机效率下降，因而采用蒸发冷的效果受到电机效率的制约。在高速电机中绕组铜耗较小，增加电流密度对于电机效率的影响较小。
4.3.2高温超导技术的应用
采用高温超导（HTS）冷却技术，可使传统电机的重量降低三分之二而损耗降低二分之一[48]。随着新一代低成本高温超导（2G HTS）线材的开发应用，使得高温超导电机具有市场竞争力[49]。目前国内外都在积极开展对于高温超导风力发电机的应用基础研究，集中在10MW级高温超导低速直驱风力发电机的可行性研究，中科院电工所正在进行100kW模拟样机的研究工作[50,51]。
4.4电机增速机构
为了克服齿轮增速装置的机械摩擦损耗、振动和噪声等缺点，国内外开展了对于磁性齿轮的研究。磁性齿轮是一种无机械接触、无需润滑并具有过载自动保护功能的新型变速机构。磁场调制式磁性齿轮的结构如图13所示，类似一台单定子双转子永磁电机，只是在定子上仅有铁心而无绕组[52]。
磁性齿轮的工作原理是利用定子调磁铁心对于内外转子上永磁体磁场的调制作用，使所调制的谐波磁场与对面永磁转子具有相同的极数而相互作用。为此，内外永磁转子的极对数之和需等于定子
图13 磁性齿轮结构示意图
Fig.13 Configuration of a magnetic gear
调磁铁心的块数，磁性齿轮的速比G r为
h
h h
s
r
l
n p
p
G
p p
?
==（2）
式中，p
l
、p
h
和n s分别为内外永磁转子的极对数和定子调磁铁心块数。
风力机驱动磁性齿轮的外转子低速旋转，而内转子则以增速比为G r的速度旋转，驱动永磁发电机高速转动。可以利用永磁内转子作为高速永磁发电机的转子，而在其内部放入发电机的定子，构成一台磁性齿轮与发电机集成在一起的具有双转子和双定子的风力发电机，如图14a所示[53]。或者，再进一步集成化，直接将发电机的绕组放入磁性齿轮定子调磁铁心块之间，成为如图14b所示的双转子单定子结构[54]。
(a) 双转子双定子结构(b) 双转子单定子结构
图14 磁性齿轮永磁风力发电机
Fig.14 Magnetic geared PM wind generator
4.5功率变换技术
受变流器制造成本的制约，目前3MW以下的永磁风力发电机多采用额定电压为690V的变流器。随着功率的增大，采用低压变流器会使发电机的额定电流过大，绕组出线过粗，不仅产生较大的线路损耗，而且造成机组安装和维护的诸多不便。3MW 以上的风力发电机，逐渐向提高额定电压采用中压（3～6kV）变频器方向发展。
永磁风力发电机采用的全功率低压变流器，多采用两电平的背靠背双PWM变流器拓扑结构，而中压变流器采用多电平结构，采用AC-DC-AC功率变换方式[55,56]。采用矩阵变流器的AC-AC直接功
第27卷第3期王凤翔永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向 21
率变换系统，省去交流侧的滤波器和直流侧的电解电容，可节约成本和提高变流器效率，是功率转换技术的发展趋向之一[57]。安川电机（Yaskawa Electric）推出了大型风力发电机专用Enerwin系列中压矩阵变流器，可配套用于功率2～5MW、电压3～4.15kV的永磁风力发电机，与同功率和电压等级的AC-DC-AC变流器相比，效率可提高1～2个百分点，体积和成本可降低30%～50% [58]。
4.6电机控制技术
风力发电机控制技术的发展方向，是在提高机组系统效率和电能质量的同时，提高运行可靠性和故障容错能力[59,60]。
从发电机和功率变换控制角度来看，采用多相和多绕组结构，不仅可以提高电机的出力，而且有利于发电机的容错运行[61]。
在2011年电机与系统国际会议(ICEMS)上，美国Wisconsin大学的T.A.Lipo教授提出了一种电机“开绕组(open-winding)”理论，为电机和变流器的多相多绕组冗余控制技术提供了一种新的思路[62]。
开绕组突破了交流电机三相绕组的传统Y联结或△联结方式，每相或每个绕组具有独立的端子，可以采取与变流器不同的连接方式构成不同的功率变换电路拓扑结构，如图15所示。可以将三相绕组拓展到多相多绕组结构，通过变流器的柔性智能控制，可在电机绕组或变流器发生开路或开路故障时，实现功率变换系统的冗余控制。
（a）三个单相H桥接线方式
（b）双三相桥式电路接线方式
图15 三相开绕组接线方式
Fig.15 Connection modes of 3-phase open-winding
5结论
高速、中速和低速直驱风力发电系统的对比分析表明，永磁发电机在系统效率、年发电量、电能质量和可靠性等方面，明显优于双馈发电机，只是
制造成本略高。
永磁风力发电机具有多种结构型式，目前仍以
内转子或外转子径向磁通结构为主。永磁发电机的
设计需要注意减小齿槽转矩脉动、防止永磁体失磁
以及发电机与变流器的合理匹配问题。
永磁风力发电机的技术发展趋向，概括起来是：结构形式多样化和组合化，制造工艺模块化，冷却
技术现代化，功率变换高压化和控制技术智能化。
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作者简介
王凤翔男，1938年生，教授，博士生导师，研究方向为电机及
其控制，风力发电等。
风力发电设备可靠性评 价规程 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
风力发电设备可靠性评价规程（试行） 1 范围 本规程规定了风力发电设备可靠性的统计办法和评价指标。适用于我国境内的所有风力发电企业发电能力的可靠性评价。 风力发电设备的可靠性统计评价包括风电机组的可靠性统计评价和风电场的可靠性统计评价两部分。 风电机组的可靠性统计评价范围以风电机组出口主开关为界，包括风轮、传动变速系统、发电机系统、液压系统、偏航系统、控制系统、通讯系统以及相应的辅助系统。 风电场的可靠性统计评价范围包括风电场内的所有发电设备，除了风电机组外，还包括箱变、汇流线路、主变等，及其相应的附属、辅助设备，公用系统和设施。 2 基本要求 本规程中指标评价所要求的各种基础数据报告，必须尊重科学、事实求是、严肃认真、全面而客观地反应风力发电设备的真实情况，做到准确、及时、完整。 与本规程配套使用的“风电设备可靠性管理信息系统”软件及相关代码，由中国电力企业联合会电力可靠性管理中心（以下简称“中心”）组织编制，全国统一使用。 3状态划分 风电机组（以下简称机组）状态划分如下： 运行 (S) 可用(A) 调度停运备用 备用 (DR)
(R) 场内原因受累停运备用 在使用受累停运备用 (PRI) （ACT） (PR) 场外原因受累停运备用 (PRO) 计划停运 不可用(U) (PO) 非计划停运 (UO) 4 状态定义 在使用（ACT）——机组处于要进行统计评价的状态。在使用状态分为可用（A）和不可用（U）。 可用（A）——机组处于能够执行预定功能的状态，而不论其是否在运行，也不论其提供了多少出力。可用状态分为运行（S）和备用（R）。 4.2.1 运行（S）——机组在电气上处于联接到电力系统的状态，或虽未联接到电力系统但在风速条件满足时，可以自动联接到电力系统的状态。机组在运行状态时，可以是带出力运行，也可以是因风速过高或过低没有出力。 4.2.2 备用（R）——机组处于可用，但不在运行状态。备用可分为调度停运备用（DR）和受累停运备用（PR）。 4.2.2.1 调度停运备用（DR）——机组本身可用，但因电力系统需要，执行调度命令的停运状态。 4.2.2.2 受累停运备用（PR）——机组本身可用，因机组以外原因造成的机组被迫退出运行的状态。按引起受累停运的原因，可分为场内原因受累停运备用（PRI）和场外原因受累停运备用（PRO）。 a) 场内原因受累停运备用（PRI）——因机组以外的场内设备停运（如汇流线路、箱变、主变等故障或计划检修）造成机组被迫退出运行的状态。 b) 场外原因受累停运备用（PRO）——因场外原因（如外部输电线路、电力系统故障等）造成机组被迫退出运行的状态。
2015年度本科生毕业论文（设计） 家用小型风力发电系统的初步设计 院－系：工学院 专业：电气工程与其自动化 年级：2011级 学生姓名： 学号： 导师与职称： 2015年6月
2015 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate The preliminary design of small household wind power generation system Department:Electrical Engineering and Automation Major:Institute of Technology Grade:2011 Student’s Name:Xu Yun Dong Student No.:2 Tutor:The lecturer Hua Jing Finished by June, 2015
摘要 风能作为一种清洁的可再生能源正逐渐受到了人们的重视，风力发电也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与继电控制电路做了初步的研究。 本论文首先介绍了课题的目的和意义，综述了国内外风力发电的发展概况，简要概括了风力发电相关技术的发展状况，论述了常见小型风力发电系统的基本组成和各部分的作用，同时对本论文的系统方案做了简要的概括，着重分析了整流电路与Buck降压电路的配合，蓄电池充放电继电保护以与电能输出的有效性等。还引入了市电切换电路，作为在发电机故障或蓄电池电量不足的情况下为负载供电。为了使能量的利用达到最大化，本系统还引入了并网电路。所以本论文设计的小型风力发电机组不但适合偏远的地区，也适合市区家庭使用。 本文提出的解决方案为：风力传动装置带动三相永磁交流发电机，然后通过AC—DC—DC—AC变换为交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组和稳压器，通过继电控制电路的监控以实现系统的自动控制，同时并入市电投切，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电控制电路的设计，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。 关键词：小型风力发电机组；整流：逆变；继电控制：蓄电池
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)
我国风力发电的发展现状 我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一，据资料统计，我国10m 高度层风能资源总量为3226 GW ，其中陆上可开采风能总量为253 GW ，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000 GW 。如果风力资源开发率达到60% ，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。 我国利用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距，风力发电是20 世纪80 年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1 kW 、10 kW 、55 kW 、220 kW 等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW 级风电场。截止2007 年底，我国风机装机容量已达到6.05 GW ，年发电量占全国发电量的0.8% 左右，比2000 年风电发电量增加了近10 倍，我国的风力发电量已跃居世界第5 位。 1.1 小型风电机组的发展 目前，我国小型风力发电机组技术已相当成熟，建设速度也较快，特别是5 kW 以下风力发电机组的制造技术成熟，已大量使用，并达到批量生产的要求。100 、 200 、300 、500 W 及1 kW 、2 kW 、5 kW 的小型风力发电机，年生产能力可达到5 万台以上。 1.2 大型风电机组的发展
我国大型风电机组的开发研制工作也正在加快。我国大型风电机组基本上依赖进口，通过多年来的开发研制，如今，大型风电机组的主要部件已基本实现国产化，其成本比进口机组低20% ～30% ，国产化是我国大型风电机组发展的必然趋势。我国的大型风电机组从建设之初的山东荣成第一个风力发电场开始，到后来的广东南澳4 台250kW 机组、辽宁营口安装660 kW 风电机组、黑龙江富锦单机960 kW 机组，再到即将在山西、山东、江苏等地安装的大型机组，我国已建成一大批大型风力发电场，使我国风力发电迈上了一个新台阶。 我国风能资源虽然蕴藏丰富，但由于经济实力和技术力量还远不及发达国家，故我国的风力发电普及率还很低。在我国，还有一些无电村，其中部分地区风能资源丰富，应开发利用风力发电。 2 国外风力发电的发展状况 风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家，风力发电在电网中占相当比重。20 世纪70 年代发生了世界性的能源危机，欧美国家政府加大补贴投入，鼓励开展风力发电事业。1973 年联邦德国风能资源投入30 万美元，到1980 年投资就增至6800 万美元；美国20 世纪80 年代初期安装了1700 多台风电机组，总装机容量达到3 MW ；1979 年丹麦能源部决定给风轮机设备厂投入补贴，政府拨款建立小型风轮机试验中心，承担发风轮机许可证任务。到20 世纪80 年代末，全球共有大型风轮机近2 万台，总装机容量2 GW 。国际市场风力发电成本不断降低，有些条件较好的风力发电场，机组发电成本仅为8 美分/kWh ，风场运行维修费为1.5 美分/kWh 。从当前世界风力发电情况来看，无论从风机容量投资、年发电量、运行费用及运行稳定性等指标衡量，200 ～500 kW 的中型风电机组都具有较大竞争
永磁同步电机驱动系统 架线式电机车是煤矿井下和地面原煤运输和辅助运输的重要设备，被煤矿企业广泛应用。由于现有电机车大都采用直流电机驱动，存在维护工作量大、维修费用高、能量损耗大及相关配套人员量大等缺点，致使电机车使用效率低下，使用费用很高。本项目是针对架线式电机车的现状，开发适用以架线式电机车的永磁同步电动机及其控制装置。采用IGBT或IPM实现逆变器主电路，设计优良的IGBT或IPM驱动电路，保证开关器件工作的安全、可靠。选用高性能数字信号处理器为核心，设计专用控制器，实现电机车的传动控制和工艺控制。 本项目研制成功将会给架线式电机车带来全新的变化，大大提高系统的运行效率和控制性能，延长架线式电机车的使用周期，起到节能的效果，也有效减少维修工作量。 1、国内外现状 电机车是煤矿井下和地面广泛应用的运输设备，现在直流电机驱动设备每年使用费用很高。而现有的电机车驱动及其控制技术共有三代五个阶段：第一代技术为串励式直流电动机及其控制：这一代技术又经历了三个阶段，第一个阶段为电阻调速，存在调速性能差（为有极调速）、能耗大、电机易损、机械磨损大，以上问题直接导致维护工作量和维护费用高；第二个阶段为可控硅斩波调速，第三个阶段为IGBT斩波调速，第二和第三阶段相对于第一阶段仅解决了一个无极调速问题，能量损耗相对于第一阶段要小点，但其他问题均没有解决。 第二代技术为三相异步电动机及其控制，主要采用变频技术进行。由于三相异步电动机的效率较低，变频技术在车辆上应用故障高，而且异步电动机起步转矩较低，不符合煤矿电机车运行环境。目前机车应用的异步电动机存在诸多问题，暂不符合大面积推广使用技术条件。 第三代技术为永磁同步电动机及其控制技术，就是现在在做的技术。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。在交流驱动中，永磁同步电动机具有结构简单、坚固耐用，工作可靠，
1 范围 1.1 本规程规定了风力发电设备可靠性的统计办法和评价指标。适用于我国境内的所有风力发电企业发电能力的可靠性评价。 1.2 风力发电设备的可靠性统计评价包括风电机组的可靠性统计评价和风电场的可靠性统计评价两部分。 1.3 风电机组的可靠性统计评价范围以风电机组出口主开关为界，包括风轮、传动变速系统、发电机系统、液压系统、偏航系统、控制系统、通讯系统以及相应的辅助系统。 1.4 风电场的可靠性统计评价范围包括风电场内的所有发电设备，除了风电机组外，还包括箱变、汇流线路、主变等，及其相应的附属、辅助设备，公用系统和设施。 2 基本要求 2.1 本规程中指标评价所要求的各种基础数据报告，必须尊重科学、事实求是、严肃认真、全面而客观地反应风力发电设备的真实情况，做到准确、及时、完整。 2.2 与本规程配套使用的“风电设备可靠性管理信息系统”软件及相关代码，由中国电力企业联合会电力可靠性管理中心（以下简称“中心”）组织编制，全国统一使用。 3状态划分 风电机组（以下简称机组）状态划分如下： 运行 (S) 可用(A) 调度停运备用 备用 (DR) (R) 场内原因受累停运备用在使用受累停运备用 (PRI) （ACT） (PR) 场外原因受累停运备用 (PRO) 计划停运 不可用(U) (PO) 非计划停运 (UO)
4 状态定义 4.1 在使用（ACT）——机组处于要进行统计评价的状态。在使用状态分为可用（A）和不可用（U）。 4.2 可用（A）——机组处于能够执行预定功能的状态，而不论其是否在运行，也不论其提供了多少出力。可用状态分为运行（S）和备用（R）。 4.2.1 运行（S）——机组在电气上处于联接到电力系统的状态，或虽未联接到电力系统但在风速条件满足时，可以自动联接到电力系统的状态。机组在运行状态时，可以是带出力运行，也可以是因风速过高或过低没有出力。 4.2.2 备用（R）——机组处于可用，但不在运行状态。备用可分为调度停运备用（DR）和受累停运备用（PR）。 4.2.2.1 调度停运备用（DR）——机组本身可用，但因电力系统需要，执行调度命令的停运状态。 4.2.2.2 受累停运备用（PR）——机组本身可用，因机组以外原因造成的机组被迫退出运行的状态。按引起受累停运的原因，可分为场内原因受累停运备用（PRI）和场外原因受累停运备用（PRO）。 a) 场内原因受累停运备用（PRI）——因机组以外的场内设备停运（如汇流线路、箱变、主变等故障或计划检修）造成机组被迫退出运行的状态。 b) 场外原因受累停运备用（PRO）——因场外原因（如外部输电线路、电力系统故障等）造成机组被迫退出运行的状态。 4.3 不可用（U）——机组不论什么原因处于不能运行或备用的状态。不可用状态分为计划停运（PO）和非计划停运（UO）。 4.3.1计划停运（PO）——机组处于计划检修或维护的状态。计划停运应是事先安排好进度，并有既定期限的定期维护。 4.3.2非计划停运（UO）——机组不可用而又不是计划停运的状态。 5 状态转变时间界线和时间记录的规定 5.1 状态转变时间的界线 5.1.1 运行转为备用或计划停运或非计划停运:以发电机在电气上与电网断开时间为界。
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。
中国风电发展现状及前景 前言 随着能源与环境问题的日益突出，世界各国正在把更多目光投向可再生能源，其中风能因其自身优势，作为可再生能源的重要类别，在地球上是最古老、最重要的能源之一，具有巨大蕴藏量、可再生、分布广、无污染的特性，成为全球普遍欢迎的清洁能源，风力发电成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式。 风，来无影、去无踪，是无污染、可再生能源。一台单机容量为1兆瓦的风电装机与同容量火电装机相比，每年可减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。随着《可再生能源法》的颁布，中国已把风能利用放在重要位置。 一、国内外风电市场现状 1.国外风机发展现状 随着世界各国对环境问题认识的不断深入，可再生能源综合利用的技术也在不断发展。在各国政府制订的相应政策支持和推动下，风力发电产业也在高速发展。截至2011年底，世界风电装机量达到237669MW，新增装机量43279MW，增长率22.3%，增速与2010年持平，低于2009年32%的增速。由表一，可以看出中国风电装机量62364MW，远远超过世界其他各国装机量，而德国依然是欧洲装机量最多的国家。从图表三中，很明显的看出，从2001年到2004年，风电装机增速是在下降的，2004年到2009年风电有处于一个快速发展期，直到近两年风电装机的增速又降为22%左右，可见风电的发展正处在一个由快速扩张到技术提
升的阶段。 图表 1 世界风电装机总量图 图表 2 世界近10年新增装机量示意图
图表 3 世界风电每年装机量增速
图表 4 总装机量各国所占份额
图表 5 2011年新增装机量各国所占份额 2.国内风电发展现状 中国的风电产业更是突飞猛进：2009年当年的装机容量已超过欧洲各国，名列世界第二。2010年将新增1892.7万kW，超越美国，成为世界第一。2011年装机总量到达惊人的62364MW。在图6中可以看出，中国风电正经历一个跨越式发展，这对世界风电的发展起到了至关重要的作用。然而，图8 中，我们能够清楚的看出自2007年以后，虽然新增装机量很大，但增速却明显下降，而其他国家，比如美国、德国，这些年维持着一个稳定的增速。由此，我们应该意识到，我国风电，尤其是陆上风电，正在进入一个转型期，从发展期进入成熟期，从量的追求进入到对质的提升。 图表 6 中国每年风电装机量示意图
270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计 摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了 一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压 大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。 关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰 0 引言 随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠 性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备 的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。 本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS 管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性 能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。 1 系统总体设计 1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型 永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得 到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和 转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够 准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]： 1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； 2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布； 4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； 5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。 优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可 表示为方程式： 式1.1 式1.2 式1.3 式中：、—定子电压dq轴分量；、—定子电流dq轴分量； —定子电阻；—转子极对数； —转子角速度；—定子电感； —电磁转矩；—永磁体产生的磁链，为常数； 从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控 制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定 子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。 1.2 驱动控制策略 永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场 定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传
风力发电系统及稳定性 2.1风力发电概述 风能是当今社会中最具竞争力，最有发展前景的一种可再生能源，将风能应用于发电（即风力发电）则是目前能源供应中发挥重要作用的一项新技术。研究风力发电技术对我国大型风力发电机组国产化及推动我国风力发电事业的不断发展有着重要意义。 与火力发电相比，风力发电有其自己的特点，具体表现在一下几个方面：1）：可再生的洁净资源。风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗资源，不污染环境，这是风力发电所无法比拟的优点。 2）：建设周期短。一个万千瓦级的风力发电场建设期不到一年。 3）：装机规模灵活。可根据资金情况决定一次装机规模，有一台的资金就可安装投产一台。 4）：可靠性高。把现代科技应用于风力发电机组可使风力发电可靠性大大提高。中大型风力发电机可靠性从20世纪80年代的50%提高到98%，高于火力发电，并且机组寿命可达20年。 5）造价低。从国外建成的风力发电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。 6）运行维护简单。现在中大型风力机自动化水平很高，由于采用了微机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护更加完善，并且实现了单机独立控制，多级群控和遥控，完全可以无人值守，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电中的大修问题。 7）实际占地面积小。据统计，机组与监控，变电等建筑仅占火电场1%的土地，其余场地仍可供农，牧，渔使用。 8）发电方式多样化。风力发电既可并网运行，也可与其他能源，如柴油发电，太阳能发电，水力发电机组成互补系统，还可以独立运行，对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可行性。 2.11 国外风电发展现状 20世纪70年代石油危机发生以来，西方发达国家积极地寻求新的能源，风力发电应运而生。风电在国外发达国家相当普及，尤其是德国，西班牙，美国等国家，风电所占的比重很大。2011年全球新增装机容量超过4000万kw，累计装机容量超过2.37亿kw。据2012年世界风电报告，2011年全球风电累计装机容量排名前十位的国家如图2-1所示，2011年各国风电累计装机容量占比2-2所示。
风力发电技术现状及发展趋势许志伟 发表时间：2017-11-28T15:54:29.220Z 来源：《电力设备》2017年第23期作者：许志伟 [导读] 摘要：在全球能源过度消耗的生态环境下，对新能源的研究和利用已成为世界热门的话题，风力发电是新能源发电技术中最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，目前各国都在加大对风力发电及其相关的技术研究。 （大唐安阳发电厂河南安阳 455000） 摘要：在全球能源过度消耗的生态环境下，对新能源的研究和利用已成为世界热门的话题，风力发电是新能源发电技术中最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，目前各国都在加大对风力发电及其相关的技术研究。全球风电行业年度市场增长率达 40%，已有一百多个国家涉足到风电行业，该行业已经成为世界能源市场的重要组成部分。我国近几年风电产业发展势头强劲，风电新增装机的容量稳居全球前茅，因此，对风力发电的技术现状和发展趋势进行研究具有重要意义。 关键词：风力发电；技术；探讨 1常用的风力发电系统 目前风力发电系统常用的风力发电机主要有恒速恒频率异步发电机、变速恒频双馈异步发电机和直驱永磁同步发电机三种。由于变速恒频系统可以适应较宽的风速范围，已经成为风力发电的主流机型，而直驱永磁同步发电机和全功率变流器组合在未来有着广阔的发展前景。 1.1 恒速恒频发电机系统 恒速恒频发电机系统主要由风力机、变速箱、异步发电机以及并联电容器构成。风轮机应用定浆失速控制可以确保发电机输出的电能电压和频率保持恒定。由于异步发电机在输出有功功率的同时会有无功产生，因此，可以通过并联电容器提高电网的功率因数。由于风能波动性和不稳定性的特点，恒速恒频发电机系统的风能利用率较低，能量输出波动性也比较大。 1.2 变速恒频双馈异步发电机系统 双馈异步发电机是如今风力发电的主流设备，占装机总量的绝大部分。变浆距角技术的应用，提高了风能的利用率，而且在机组紧急停止时，通过调整可以减少风能的收集，降低了机组的机械冲击，机组的使用寿命加长了。定子侧和电网连接，转子通过双PWM变换器控制励磁，确保定子电能频率的稳定。 1.3 变速恒频直驱永磁同步发电机系统 风力发电机和永磁同步发电机直接连接，避免了减速箱对系统运行的影响。同步发电机发出的电能通过交直交变频技术形成稳定的交流电进入电网。励磁采用永磁体节省了励磁的维护投入，但发电机的体积和制造成本以及难度加大了。 2风力发电中的重点技术问题 风力发电作为重要的新兴能源，受重视程度越来越高，如何提高风能的使用效率，改善风力发电的电能质量是风力发电工作研究的重点。 2.1 风力发电功率的预测 风能的不稳定性和随机性，经常造成大容量电场并网严重影响电力系统的可靠性，制约着大容量风电场的并网运行。因此对风电能量进行科学准确的预测，有助于风电场的合理选址以及电网能量的合理调度。目前常用的风能预测方法有：基于数值天气预报的风能预测，即利用气象信息对中长期风能进行预测；时间序列预测法，即利用历史风能数据对短期风能分布进行预测、人工神经网络预测，该方法的自适应性比较强，适用于非线性的模型预测。为提高预测的准确性，将多种方法结合使用是风能预测的发展方向。 2.2 风电场电力电子设备的研究 先进的电力电子技术是现代风力发电的重要技术依托，为风力发电提供重要的技术支撑。风力发电设备中存在大量电力电子设备，如双馈异步发电系统中的PWM变流器、直流永磁同步发电系统重点交直交变频设备、基于电压源的高压直流输电并网技术以及低压穿越所需的电子装置等。因此，加强电力电子设备的研究，对风力发电的发展具有重要意义。 2.3 低压穿越技术 低压穿越技术在电网发生故障时，利用电力电子技术确保风电场在一定时间范围内向电网提供一定的无功，从而保证电网不脱网运行。当电网电压降低时，风电机组通常由于自我保护而脱离电网，在风电所占电网的比例较小时，风电的脱离不会对系统造成太大影响，一旦风电机组的容量较大，电网故障时风电的解列在故障的基础上增加了电网的扰动，严重影响电网的可靠运行，甚至造成整个系统的解列。因此，我国对低电压运行标准进行了规定，即当并网电压跌至20%额定电压时，风电机组应能不脱网运行625 ms，目前由于电网的故障复杂多变，还没有十分完善的方案能够完全满足低电压穿越的要求，这已经成为风电研究的热点问题。 2.4 风电场的无功补偿 电压稳定是风电并网中的重要问题，无功补偿是风电电压稳定的重要影响因素。尤其在异步风力发电机系统中，异步发电机和变压器设备产生大量的无功功率，一旦这些无功无法得到及时补偿则会对电网的可靠运行造成影响，系统无功过高会使系统电流增加，增大系统损耗的同时，也会影响设备的安全运行；电流和视在功率的增加造成电力设备容量的增加，电力设备的体积也相应增大，电网的经济运行性降低，另外电网的功率因数过低会造成电网电压的降低。风电场无功补偿的方式多种多样，目前最为常用且使用效果较好的方式是基于电力电子技术的动态无功补偿设备。 3风力发电技术的发展趋势 我国风电行业已经步入了快速发展的时期，风力发电技术逐渐更具规模化和有效化，现已采用新的叶片技术、新型发力风电机、新型电力电子技术等智能优化风力发电系统，提高了可靠性和恶劣环境下的安全性。（1）对于巨型机而言，采用延长叶片会使运输和安装成本增加，因此分段式叶片技术应运而生，很好的解决了运输和安装问题，同时采用强化碳纤维增强叶片刚度，玻璃钢和热塑等混合纱丝制造叶片，缩短了叶片的生产时间。（2）采用无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机和高压发电机也降低了成本，提高了可靠性，便于设备维修及养护，新型风力发电机的研制仍然是当前的重要任务。（3）新型大功率变化器的研究和应用势在必行，多电平变化器相对两电平变换器显著的降低了功率器件的开关损耗，大幅度的提高了转换效率，同时，新型储能技术也日益受到了人们的关注，起到了维持电网频率
二、风力发电系统有哪些设备组成 2.1 基本原理和部件组成如下： 大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。 大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。 2.2 风电机结构 机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。 液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。 塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向。 蓄电池：是发电系统中的一个非常重要的部件,多采用汽车用铅酸电瓶，近年来国内有些厂家也开发出了适用于风能太阳能应用的专用铅酸蓄电池。也有选用镉镍碱性蓄电池的，但价格较贵。 控制器和逆变器：风力机控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电，以保证蓄电池不至于过充和过放，以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。目前风力机控制器一般都附带一个耗能负载，它的作用是在蓄电池瓶已充满,外部负荷很小时来吸纳风力机发出的电能。 逆变器：逆变器是把直流电(12V、24V、36V、48V)变成220V交流电的装置，因为目前市场上很多用电器是220V供电的，因此这一装置在很多应用场合是必须的。 2.3 风电机发电机 风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的，电网上的发电设备相比，有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。 2.3.1 输出电压
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：
风电技术现状及发展趋势 Current Situation and Developing Trend of Wind Power Technique The paper mainly discusses the current situation and developing trend of wind power technique. Abstract: Key words: anemo-electric generator ； current situation ； developing trend 0 引言 风电古老而现代，但之所以到近代才得以发展，是因为在这方面存在许多实际困难。主要表现在：（1）风本身随机性大且不稳定，对其资源的准确测量与评估存在误差；（2）风速大小、风力强弱、风的方向都随时间在变化，设计制造在不同风况下都能保持稳定运行的风电系统，并使其风电输出功率效率高且理想平滑十分困难；（3）风为间歇式能源，有功功率与无功功率都将随风速的变化而变化，在与电网连接时，需要考虑输出功率的波动对地区电网的影响。此外，在降低制造成本和运行维护费用的前提下如何提高系统运行的安全性与可靠性、如何延长的寿命以及改善系统储能措施使其容量更大、体积更小、效率更高且寿命更长等问题上尚有待于得到更完善的解决。 1 风力发电技术发展现状 现代风力发电系统由风能资源、组、控制装置及检测显示装置等组成。组是风电系统的关键设备，通常包括风轮机、发电机、变速器及相应控制装置，用来实现能量的转换。完整的并网风力发电系统结构示意图见图1。
率曲线比较 长期以来风力发电系统主要采用恒速恒频发电方式（ Constant Speed Constant Frequency 简称CSCF）和变速恒频发电方式（Variable Speed Constant Frequency 简称VSCF）两种。 恒速恒频发电方式，概念模型通常为“恒速风力机 +感应发电机”，常采用定桨距失速或主动失速调节实现功率控制。在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。由于风速经常变化，功率系数C p不可能保持在最佳值，不能最大限度地捕获风能，效率低。 变速恒频发电方式, 概念模型通常为“变速风力机+变速发电机（双馈异步发电机或低速永磁同步发电机）”，采用变桨距结构，启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，调节发电机反转矩使转速跟随风速变化以保持最佳叶尖速比从而获得最大风能；在额定转速以上，采用变速与桨叶节距的双重调节限制风力机获取的能量以保证发电机功率输出的稳定性。 前者结构简单、运行可靠，但其发电效率较低，而且由于机械承受应力较大，相应的装置成本较高。后者可以实现不同风速下高效发电从而使得系统的机械应力和装置成本都大大降低。两者运行功率曲线比较如图 3所示。可以看出，采用变速恒频发电方式, 能在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终在最佳转速上运行，捕获最大风能[2]。 2 风力发电技术发展趋势
风力发电系统可靠性评估体系 摘要：近年来，我国的用电量不断增加，风力发电系统有了很大进展。由于风电具有随机性、间歇性和波动性等特点，风力发电系统的可靠性对大规模并网电力系统安全性造成较大影响，如何准确评估风力发电系统可靠性，这提出了全新的挑战。首先分析了风力发电系统的结构特点，提出了一种基于期望故障受阻电能相等的方法，用相同容量的发电机等效替代风电机“组串”，并根据元件状态特性对系统可靠性状态进行划分，最后建立时间、出力、系统等指标体系。 关键词：风力发电系统；等效替代；可靠性评估；指标体系 引言 随着风力发电技术迅猛发展，装机容量大幅增加，已成为可再生能源中技术最成熟、应用最广泛的发电技术之一。由于风电具有间歇性、波动性和随机性等特点，使得大规模风电接入电力系统后带来了不确定的因素，因此如何准确评估风力发电系统的可靠性显得非常重要。 1风力发电系统的特点 1.1风机输出功率影响因素分析
1）季节与时间的影响 中国“三北”地区风资源较为丰富。一般来说，一年中春季和冬季风资源较丰富，夏季风资源较贫乏；在一天中来说，白天风资源较贫乏，而夜晚风资源较丰富。 2）风速大小的影响 风电机组的运行状态和输出功率都与风速息息相关。图1给出了风电机组输出功率与风速的曲线。 2可靠性状态的划分 1）全额运行状态：当风速较快时，即风力发电系统输出功率能够达到总装机容量的70%以上。2）资源限制减额运行状态：当风速较慢时，即风力发电系统输出功率低于总装机容量的70%。3）故障减额运行状态：风力发电系统部分元件故障导致输出功率减少的状态。 3可靠性指标体系 3.1时间指标 1）全额运行时间FRH：风力发电系统处于全额运行状态（即输出功率达到总装机容量70%）的累计运行时间。2）资源限制减额运行时间RDH：风力发电系统由于风速的限制，输出功率小于总装机容量的70%的累积运行时间。3）故障减额运行时间FDH：风力发电系统中部分元件故障，导致输出功率减小的累积运行时间。4）故障停运时间FOH：风力系统由于元件故障发生全站停运的累计时间。由