【正文】 資源儲量約為10億kΩ，而目前我國風力發(fā)電僅占全國電力裝機容量0．11％。根據(jù)國家發(fā)改委的長期產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，中國的風電裝機規(guī)劃為2005年完成100萬kΩ，2010年500萬kΩ，2015年i000萬kΩ，2020年3000萬kΩ，屆時風電裝機占全國電力裝機的2％。因此，風力發(fā)電作為成熟技術的優(yōu)勢對緩解我國電能緊張、改善我國能源結構有重要作用。(2)通過自主研發(fā)，提升風力發(fā)電機組的國產(chǎn)化率和行業(yè)競爭力我國風力發(fā)電起步較晚，目前全國已建成60多個風電場，裝機規(guī)模達到了100多萬kW，裝機量以每年20％以上的速度遞增。目前風電機組主要制造商集中在歐美國家，我國大部分風力發(fā)電機依靠進口。如2004年我國76．4萬kW的風電裝機容量中，82％的設備來自進口，其中丹麥NECMICON公司的產(chǎn)品就占到中國總裝機容量的30％；而大部分國產(chǎn)風力機組，其技術也主要靠國外引進。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權的風力發(fā)電系統(tǒng)具有極大的產(chǎn)業(yè)化和市場發(fā)展前景，同時能夠提高我國風力發(fā)電的技術水平，提高我國風電行業(yè)在國際上的行業(yè)競爭力。(3)減少能源損耗，減少溫室氣體排放風能屬于可再生能源，風電作為一種溫室氣體零排放的替代能源技術，被廣泛認為有可能在未來取代傳統(tǒng)的化石燃料，選擇風力發(fā)電可以延緩煤、石油、天然氣等常規(guī)能源日益嚴峻的枯竭趨勢。經(jīng)過計算，平均每裝一臺單機容量為l兆瓦的風能發(fā)電機，每年可以減排2000噸二氧化碳(相當于種植276平方千米的樹木)、10噸二氧化硫、6噸二氧化氮。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊風力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，我國在這種國際形勢下更應該加大對風能利用的研究。(4)在解決偏遠邊區(qū)用電、脫貧致富方面發(fā)揮重大作用。我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸難以解決供電問題。這些地方一般使用柴油或汽油發(fā)電機組供電，發(fā)電成本相當高，而這些地方大部分處在風力資源豐富地區(qū)。如果能夠充分利用該地區(qū)的風力資源來解決無電、缺電問題，將大量節(jié)約燃料和社會資源，同時還能減少環(huán)境污染，有著十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。地球上風能資源蘊藏豐富，是一種清潔、廉價的可再生能源。近年來，可再生能源利用的迅猛發(fā)展特別是風力發(fā)電的高速增長引起了能源界的高度重視。大力發(fā)展風力發(fā)電必將對我國的能源結構產(chǎn)生積極的影響，為中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出突出貢獻。我國政府己通過立法將可再生能源納入國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)新能源尤其是風能資源已成為中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。 風力發(fā)電技術的現(xiàn)狀及發(fā)展在風力發(fā)電技術方面，目前實際運用的技術主要有：定槳距風力發(fā)電技術定槳距風力發(fā)電機組的主要結構特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。這一特點給定槳距風力發(fā)電機組提出了兩個必須解決的問題。一是當風速高于風輪的設計點風速即定額風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的。槳葉的這一特性被稱為自動失速性能。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網(wǎng)(突甩負載)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。早期的定槳距風力發(fā)電機組風輪并不具備制動能力，脫網(wǎng)時完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機械剎車裝置進行制動，這對于數(shù)十千瓦級機組來說問題不大，但對于大型風力發(fā)電機組，如果只使用機械剎車，就會對整機結構強度產(chǎn)生嚴重影響。為了解決上述問題，槳葉制造商首先在20世紀70年代用玻璃鋼復合材料研制成功了失速性能良好的風力機槳葉，解決了定槳距風力發(fā)電機組在大風時的功率控制問題：20世紀80年代又將葉尖擾流器成功地應用在風力發(fā)電機組上，解決了在突甩負載情況下的安全停機問題，使定槳距(失速型)風力發(fā)電機組在近20年的風能丌發(fā)利用中始終占據(jù)主導地位，直到最新推出的兆瓦級風力發(fā)電機組仍有機形采用該項技術。變槳距發(fā)電技術變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點。變槳距風力發(fā)電機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動性能。當功率在額定功率以下時，控制器將葉片節(jié)距角置于0176。附近，不作變化，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機組，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風速的變化而變化。當功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整葉片距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。但是，隨著并網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量的增大，大型風力發(fā)電機組的單個葉片已重達數(shù)噸．對操縱如此巨大的慣性體，并且響應速度要能跟上風速的變化是相當困難的。事實上，如果沒有其他的措施的話，變槳距風力發(fā)電組的功率調節(jié)對高頻風速度變化仍然是無能為力的。因此，近年來設計的變槳距風力發(fā)電機組，除了對槳葉進行節(jié)距控制以外，還通過控制發(fā)電機轉子電源來控制發(fā)電機轉差率，使得發(fā)電機轉速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應風速的變化，以吸收瞬變的風能，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，在相同的額定功率點，額定風速比定槳距風力發(fā)電機組要低。對于定槳距風力發(fā)電機組，一般在低風速段的風能利用系數(shù)較高。當風速接近額定點，風能利用系數(shù)開始大幅下降。因為這時隨著風速的升高，功率上升已趨緩，而過了額定點后，槳葉己開始失速，風速升高，功率反爾有所下降。對于變槳距風力發(fā)電機組，由于槳葉節(jié)距可以控制，無需擔心風速超過額定點后的功率控制問題，可以使得額定功率點仍然具有較高的功率系數(shù)。由于變槳距風力發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機輸出功率的反饋信號來控制的，它不受氣流密度變化的影響。無論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統(tǒng)都能通過調整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。這對于功率輸出完全依靠槳葉氣動性能的定槳距風力發(fā)電機組來說，具有明顯的優(yōu)越性。變速恒頻發(fā)電技術 變速恒頻風力發(fā)電機組于20世紀的最后幾年加入到大型風力發(fā)電機組主流機型的行列中。與恒速風力發(fā)電機組相比，變速風力發(fā)電機組的優(yōu)越性在于：低風速時它能夠根據(jù)風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。因而在更大容量上，變速風力發(fā)電機組有可能取代恒速風力發(fā)電機組而成為風力發(fā)電的主力機型。變速風力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速以下時，主要調節(jié)發(fā)電機反力矩使轉速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比，因此可作為跟蹤問題來處理。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化。目前具有變速恒頻發(fā)電技術的機組主要有：雙饋型風力發(fā)電機組雙饋異步發(fā)電機是結合了異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機。雙饋異步發(fā)電機由繞線轉子感應發(fā)電機和在轉子電路上帶有整流器和直流側連接的逆變器組成。發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過逆變器從轉子輸出的功率。風力機的機械速度足允許隨著風速而變化的。通過對發(fā)電機的控制使風力機運行在最佳葉尖速比，從而使整個運行速度的范剛內(nèi)均有最佳功率系數(shù)。因此雙饋異步發(fā)電機具有良好的調速性能、有功和無功功率獨立可調、改善電網(wǎng)功率因數(shù)、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及相對較小的勵磁容量等優(yōu)點，在風力發(fā)電技術中，由于雙饋發(fā)電機能變速恒頻運行，實現(xiàn)了機組和電網(wǎng)的柔性連接從而大大緩解了機組軸系的機械應力并降低了系統(tǒng)成本。與此同時，采用原動機最佳效率跟蹤控制還能夠提高整個風力或水力發(fā)電系統(tǒng)的效率。因此目前雙饋發(fā)電機己經(jīng)成為主流的風力發(fā)電機。無刷雙饋發(fā)電機組雙饋無刷發(fā)電機定子有兩套級數(shù)不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網(wǎng)，取消了電刷和滑環(huán)，轉子的極數(shù)應為定子兩個繞組極對數(shù)之和。這種無刷雙饋發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于有刷雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機的運行機制有著本質的區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現(xiàn)變速恒頻控制。高速同步發(fā)電機組在同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間使用變頻器，轉速和電網(wǎng)頻率之間的耦合問題將得以解決，變頻器的使用，使風力發(fā)電機可以在不同的速度下運行，并且使發(fā)電機內(nèi)部的轉矩得以控制，從而減輕傳動系統(tǒng)應力，通過對變頻器電流的控制，就可以控制發(fā)電機轉矩，而控制電磁轉矩可以控制風力機的轉速，使之達到最佳運行狀態(tài)。同步發(fā)電機經(jīng)全容量變頻器接入電網(wǎng)實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。除具有變速恒頻運行、有功無功獨立可調以及良好的運行穩(wěn)定性以外，同步發(fā)電機還具有以下特點：電機制造技術成熟、運行可靠且無需定期維護，特別適用于海上風電場等維護與檢修困難的場合；交直交變頻器中的交一直變換可采用二極管整流+直流斬波，結構簡單；發(fā)電機發(fā)出的全部功率均通過變頻器，較雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收困難；在相同的條件下，同步發(fā)電機的調速范圍比異步發(fā)電機更寬。異步發(fā)電機要靠加大轉差率才能提高轉矩，而同步發(fā)電機只要加大功角就能增大轉矩。因此，同步發(fā)電機比異步發(fā)電機對轉矩擾動具有更強的承受能力，能做出更快的響應。低速永磁直驅發(fā)電根據(jù)風能資源的特點，風力機通常以轉速(20～30r／min)旋轉，而常見的風力發(fā)電機由于極對數(shù)較小因此額定轉速較高(如：4極電機額定轉速為l 500r／min)。為連接轉速不同的風力機與發(fā)電機，采用轉速比較高的(如l：50)齒輪箱傳動裝置不可避免。齒輪箱傳動裝置的引入不但增加了系統(tǒng)的技術要求和成本，同時還降低了系統(tǒng)的可靠性。永磁直驅或半直驅風力發(fā)電機采用永磁材料并通過適當?shù)脑O計提高發(fā)電機極對數(shù)以減小發(fā)電機額定轉速，從而實現(xiàn)風力機直接驅動或通過低轉速比齒輪變速裝置半直接驅動發(fā)電機。與雙饋風力發(fā)電機與變速感應風力發(fā)電機相同，永磁直驅或半直驅風力發(fā)電機也具有變速恒頻發(fā)電、有功無功獨立調節(jié)等優(yōu)點，此外這類發(fā)電機還具有以下特點：降低了機械傳動的要求，減小系統(tǒng)成本并提高運行可靠性：采用永磁材料，發(fā)電機能量密度高，重量輕，效率高；無碳刷與滑環(huán)，運行可靠，維護工作量小。 論文的內(nèi)容安排 掌握直驅永磁同步風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制的原理利用MPPT控制策略設計一個適合于直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器建立數(shù)學模型。利用Ｍａｔｌａｂ/ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件對設計的電路進行仿真研究 第一章介紹了風力發(fā)電研究的意義和背景，以及全球和我國風電發(fā)展的現(xiàn)狀和前景。第二章闡述了風力發(fā)電的理論基礎，介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的一些重要特性參數(shù)，分析了風力機的組成結構、分類以及各種功率控制方法。第三章重點研究了風力機的最大功率跟蹤控制方法，分析比較了采用尖速比控制、采用功率曲線控制和爬山搜索算法這三種常見的最大功率跟蹤控制算法。針對直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)提出了一種爬山搜索控制策略。第四章利用MPPT控制策略設計一個適合于直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器。針對DC/DC變換選用了boost升壓電路，然后對變換阻抗的DC／DC變換器進行了具體設計。第五章 燕山大學本科上畢業(yè)設計（論文）第2章 風力發(fā)電系統(tǒng)介紹 風力發(fā)電的理論基礎風能的計算，由流體力學可知，氣流的動能為 E=1/2mv2 (21)式中E：氣流動能m：氣流質量v：氣流速度設單位時間內(nèi)流過截面積為S的氣體的體積為V，如果以p表示空氣密度，則該體積的空氣質量為 m=ρv=ρSv (22)這時氣流所具有的動能為 E=1/2ρSv3 (23)式中E：風能：空氣密度S：截面積v：氣流速度由風能的公式可以看出，風能大小與氣流通過的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。貝茲定理：由風力機氣動理論一貝茲定理，假定風輪是理想的，也就是說沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風輪時沒有阻力，此外，假定氣流經(jīng)過整個風輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向。分析理想風輪在流動大氣中的情況，如圖21所示：圖21風輪在流動大氣中的情況 ：距離風力機一定距離的上游風速；v：通過風輪時的實際風速；v2：離風輪遠處的下游風速；設通過風輪氣流的上游截面積為，下游截面積為是。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而v2必然低于，所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即是大于。假定空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可知： S1v1=S2v2=Sv (24)風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出 F=ρSv(v1v2) (25)式中F：作用力故風輪吸收的功率為 P=Fv=ρSv2(v1v2) (26)式中P：吸收的功率此功率是由動能轉換而來的，從上游到下游動能的變化為 △E=1/2ρSv(v1v2) (27)令P=△E，可以得到 v=(v1+v2)/2 (28)作用在風輪機上的力和提供的功率可寫為 F=1/2ρSv(v12v22) (29) P=1/4ρSv(v12v22) (210)對于給定的上游速度，可寫出以為函數(shù)的功率變換關系，將上式微分得到： dP/dv2=1/4ρSv(v122v1v23v22) (211)令dP/dv=0，求解可得到：v2=v1/3，將其代入P的表達式，得到最大功率為： Pmax=8/27ρSv13 (212)最大風能利用系數(shù) Cpmax=Pmax/(ρSv13)= (213) 這就是貝茲理論的極限值，它說明風力機從自然風中獲取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為在尾流中的旋轉動能。能量的轉換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異。應此，風力機實際風能利用系數(shù)q，目前的技術水平下。風輪實際能得到的有用功率輸出為 P=ρSv3CP (214)除了風能利用系數(shù)外，風力發(fā)電機還有兩個非常重要的參數(shù)：葉尖速比λ和槳距角β：葉尖速比λ是為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示。 λ= ωR/v (215)其中ω：風輪的轉速R：風輪半徑v：風速槳距角β是指風輪葉片上某一點的弦線與葉片旋轉平面間的夾角。定槳距風力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定