【正文】 50KW風(fēng)力發(fā)電機組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風(fēng)電場運行的試驗和示范。同時單機容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場中成功運行。許多民眾十分關(guān)注風(fēng)能的發(fā)展，并將利用風(fēng)能和其他可再生能源當(dāng)成他們的生活方式。 環(huán)境驅(qū)動力除了人們早先認(rèn)識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認(rèn)識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計今后25年中平均年消耗量將達(dá)50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過2000億噸，石油資源在四五十年后也將枯竭。 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力 經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本約2元/KW左右。一些國家要靠進(jìn)口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對風(fēng)力發(fā)電機組的研制取得了巨大進(jìn)展。世界能源委員會預(yù)計，～。目前正處于前期工作階段和正在建設(shè)的風(fēng)電場以遍及10多個省、市和自治區(qū)。早期的一些風(fēng)力機槳葉是根據(jù)直升飛機的機翼設(shè)計的，而風(fēng)力機的槳葉運行在與直升飛機很不同的空氣動力環(huán)境中。由于他被設(shè)計成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風(fēng)能的效率，試驗表明，變速風(fēng)力發(fā)電機組要比恒速風(fēng)力發(fā)電機組多捕獲15%的風(fēng)能，同時每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風(fēng)力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)減輕，塔架等基礎(chǔ)費用也可降低。第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電的重要部分，它不僅直接影響轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。所采用的發(fā)動機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機。它不僅可以并網(wǎng)運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負(fù)載的需要。[6]感應(yīng)發(fā)電機也可以有兩種運行方式，即并網(wǎng)運行和單獨運行。 不連續(xù)變速系統(tǒng)一般來說，利用不連續(xù)變速發(fā)電機可以獲得連續(xù)變速運行的某些好處，但不是全部好處。比起單速機來，這種發(fā)動機要重一些，效率也稍低一些，因為總有一個繞組未被利用，導(dǎo)致?lián)p耗相對增大。機械方法如采用變速比液壓傳動或可變傳動比機械傳動，電/機械方法如采用定子可旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)發(fā)電機，電氣式變速系統(tǒng)如采用高滑差感應(yīng)發(fā)電機或雙定子感應(yīng)發(fā)電機等。發(fā)電機本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻，用頻率為 (一般是工頻50Hz)的低頻交流電勵磁，則三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波。它的缺點是若想得到三相輸出，則必須采用三套磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)，且各套發(fā)電機系統(tǒng)間應(yīng)保持某一合適的相位差，這就提高了整個系統(tǒng)的成本。由于變換裝置處在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路（勵磁回路），其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風(fēng)力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率。3) 采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)，可抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率，降成本。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。 在某一固定的風(fēng)速下, 隨著風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速n 的變化, CP 的值會相應(yīng)的變化, 從而使風(fēng)輪機輸出的機械功率Pm 變化, 也就是說, 轉(zhuǎn)速n 變化, 會導(dǎo)致風(fēng)輪機捕獲風(fēng)能的能力有所不同。第二，通過對電壓和頻率的動態(tài)控制允許發(fā)電機工作在最大效率點。1. 雙輸出異步發(fā)電機的工作原理風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機以超同步轉(zhuǎn)子速度運行。這種系統(tǒng)中異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組側(cè)接的整流器是不可控整流器，與轉(zhuǎn)子繞組接交交變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)比較，調(diào)節(jié)功能要小些，其中最主要的是不能調(diào)節(jié)定子側(cè)的無功功率，且因逆變器功率因數(shù)低，使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。從而，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機具有較高的功率因數(shù)，這是因為當(dāng)保持電機氣隙磁通不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的相位和幅值，就可以補償定子側(cè)的無功功率。例如，當(dāng)直流回路中電抗器的電感量足夠大時（Ld﹕大于或等于3Xp/ｗ0，Ld﹕——折算到轉(zhuǎn)子整流回路的平均電抗器的電感，Xp——折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗，ｗ0——定子側(cè)電源的頻率）時，逆變器的脈動電勢所引起的轉(zhuǎn)子脈動電流可以忽略不計，但當(dāng) Ld不滿足上述條件時，將會出現(xiàn)輕載時電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使機械特性發(fā)生畸變。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全橋多，在當(dāng)今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。1) 所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作調(diào)整開關(guān)，由交流市電電網(wǎng)供電，可直接供電，也可經(jīng)過變壓器變壓后供電。嚴(yán)格地說，直流變換器包括隔離開關(guān)型穩(wěn)壓器，但為了通俗，還是采用直流變換器一詞。還有，逆變后電流也比較大，從而后級工頻變壓器的制作也比較困難。為了人身安全起見，一般選用輸入輸出有隔離的電路結(jié)構(gòu)。鎳鎘蓄電池：機械強度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點，但價格按貴。雖然 SMES 價格較貴,但其容量大、響應(yīng)快。 控制系統(tǒng)為使風(fēng)力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進(jìn)行有效的控制。其中2～4可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。這就是變速恒頻技術(shù)的優(yōu)勢所在。因此，如何恰當(dāng)?shù)剡x擇權(quán)陣是線性最優(yōu)控制設(shè)計中需注意的問題。將最優(yōu)控制應(yīng)用于定子磁場定向、高效全控型雙饋風(fēng)力發(fā)電機中，電機定、轉(zhuǎn)子邊各有一套全控型功率變換器，控制定轉(zhuǎn)子的電壓及頻率，使發(fā)電機工作在弱磁風(fēng)狀態(tài)下。而為實現(xiàn)陣風(fēng)和電力系統(tǒng)大擾動情況下的輸出功率和電壓的快速平穩(wěn)跟蹤，可以采用靜態(tài)VAR補償器調(diào)節(jié)異步發(fā)電機輸出電壓和采用變漿距機構(gòu)調(diào)節(jié)機械輸入功率的方法：結(jié)合極大值控制和自適應(yīng)控制理論，采用改進(jìn)的 Krsitc 方法進(jìn)行風(fēng)輪槳距角控制設(shè)計，也可獲得最大輸出功率跟蹤，且可獲得全局最優(yōu)化?；谌嵝越Y(jié)構(gòu)風(fēng)機模型的分析，研究偏航控制對塔身彎曲尤其側(cè)向彎曲的影響，類似于裝置有彈簧和阻尼器的懸掛系統(tǒng)或PD控制器，以偏航角及偏航速度為控制變量的周期性時變 LQ 偏航控制器能夠獲得同樣的側(cè)向阻尼，可有效降低塔身扭矩，但控制代價卻僅相當(dāng)于 PD 控制器的10％ 以內(nèi)。但此類方法所有仿真均建立在狀態(tài)反饋基礎(chǔ)上，從實現(xiàn)的觀點看是不實用的，需要用輸出反饋重新評價。將 LQG 控制應(yīng)用于可變槳距恒速水平軸風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)槳距保證輸出功率維持在額定值附近．該控制器僅在額定風(fēng)速以上起作用，且無開關(guān)暫態(tài)：通過實際風(fēng)機模型的非線性模擬，測試并驗證了陣風(fēng)情況下控制系統(tǒng)的性能。異步發(fā)電機并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將發(fā)電機的轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。在定子鐵心內(nèi)圓，均勻地沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。為減少電流，提高電機的功率因數(shù)，異步電動機的氣隙選得較小，中、～2mm。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與氣隙磁場相互作用，將產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。此時電機處于電磁制動狀態(tài)，它一方面從外界輸入機警功率，同時又從電網(wǎng)吸取電功率，兩者都變成電機內(nèi)部的損耗。但在設(shè)計上家兩者還是以后有區(qū)別的。當(dāng)一臺異步電動機作為發(fā)電機運行時，由于滿載電勢增加，電機飽和度提高，一是使電機所需的激磁電流激增，在并網(wǎng)運行時，從電網(wǎng)吸收大量滯后的無功電流，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低；在自激運行時，則必須大量的電容器，以滿足所需的無功電流。但異步電動機與異步發(fā)電機是有差異的，故不能直接引用而必須重新分析計算。 ＝ 56. 轉(zhuǎn)子槽漏抗 ＝ 無徑向通風(fēng)道時 ＝57. 轉(zhuǎn)子諧波漏抗 ＝（） ＝58. 轉(zhuǎn)子端部漏抗 ==59. 轉(zhuǎn)子斜槽漏抗 ＝60. 轉(zhuǎn)子漏抗 ＝(+++)==61. 總漏抗 ＝+=62. 定子直流電阻 ＝ 式中：對級絕緣——鋁的為 銅的為 63. 定子相電阻表么值 ＝ 64. 有效材料 定子導(dǎo)線重量 ＝ Kg 式中 C為考慮導(dǎo)線絕緣和引線重量的系數(shù)，為導(dǎo)線密度，鋁為。因此，剛開始拿到課題的時候不知如何下手，腦子也是一片空白。懂得了做學(xué)問一定要沉下心來認(rèn)真做。但看到我自己的工作結(jié)果。以前只是理論上的知識，經(jīng)過這次大型的畢業(yè)設(shè)計，第一次讓我學(xué)會了如何單獨完成設(shè)計任務(wù)、查找資料。另外，在設(shè)計過程中還要注意適當(dāng)提高發(fā)電機的過載能力和功率因數(shù)，在保護(hù)線路上也要采取措施。第二：異步電機在電動機運行時，和的夾角小，而作為發(fā)電機運行時要大一些。，由于定子電流相位不同，使各量有所差別。自激異步發(fā)電機運行使，端電壓和頻率隨負(fù)載而變，為維持電壓和頻率恒定，除對源原動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外，還須根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和大小隨時調(diào)節(jié)所并聯(lián)的電容器。為使轉(zhuǎn)子持續(xù)地以高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩；此時轉(zhuǎn)子從原動機輸入機械功率，通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。當(dāng)異步電機的負(fù)載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負(fù)載的需要。籠型電機結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，是一種經(jīng)濟(jì)，耐用的電機，所以應(yīng)用極為廣泛。大型高壓感應(yīng)電機都用開口槽，以便嵌線。所以本次設(shè)計采用異步發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機的定子由定子鐵心，定子繞組和機座三部分組成。但由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)非線性，自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的隨機性、間歇性、湍流以及風(fēng)機的尾流效應(yīng)，不確定因素很多，而最優(yōu)控制的實現(xiàn)必須有一個精確數(shù)學(xué)模型為控制器設(shè)計基礎(chǔ)．這對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未免要求過高，將最優(yōu)控制策略與其它控制方法，如與模糊邏輯控制、魯棒控制方法結(jié)合起束的混合控制技術(shù)，可有效解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各類關(guān)鍵控制問題：提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、改善電能品質(zhì)、減小柔性風(fēng)電系統(tǒng)傳動鏈上的疲勞負(fù)載等。在控制系統(tǒng)設(shè)計、研究及性能分析中使用了三種風(fēng)的模型，但是否考慮測量噪聲仍不明確，每一方案所引起的結(jié)構(gòu)負(fù)載問題也沒有提到。偏航控制中運用 LQ 最優(yōu)控制理論，可降低風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)性動態(tài)負(fù)載。傳統(tǒng)的風(fēng)力機組控制通常具有多環(huán)結(jié)構(gòu)形式，通過動態(tài)補償器反饋電壓誤差及轉(zhuǎn)速以獲得電壓調(diào)節(jié)，通過電功率誤差的PI反饋(槳距控制)及轉(zhuǎn)速反饋獲得功率凋節(jié)，兩類控制有大致相同的帶寬。對于獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可采用一類可調(diào)阻抗一濾波器方法，在線調(diào)節(jié)三相可控硅的觸發(fā)角，穩(wěn)定母線電壓并保證風(fēng)能系統(tǒng)在陣風(fēng)及負(fù)載變化時獲得最大風(fēng)能利用。相對恒速風(fēng)力發(fā)電機組，變速風(fēng)力機雖然可以增加風(fēng)能捕獲功率，但通常需要一個等容量的功率變換器相匹配，大大增加機組的制造成本。對一般線性最優(yōu)控制系統(tǒng)： （） 式中：為階矩陣；為階矩陣。為此，必須研究風(fēng)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲運行的控制機理和控制方法。2) 發(fā)電機側(cè)變流器由自關(guān)斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構(gòu)成的AC/D變流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。 所示, 表示發(fā)電機出口母線電壓,所采用的超導(dǎo)儲能(SMES) 所示。它由一個超導(dǎo)線圈,一個強制換向變換器和一個控制器組成。數(shù)據(jù)輸入為測量值，計算結(jié)果與測量值在控制器中進(jìn)行比較，校正后調(diào)節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。有關(guān)資料表明，目前最大功率僅為300W。逆變變壓整流濾波反饋控制ＵｉｉｉｉｉｉｉｉｉＵo 直流變換器方框圖根據(jù)本文的研究，采用可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。調(diào)壓也是靠改變調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通和截止時間的相對長短來實現(xiàn)的。c) 單相橋式半控整流電路的特點：該電路實用中需加設(shè)續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。可從各種角度對整流電路進(jìn)行分類，分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單向或雙向；又分為單拍電路和雙拍電路。這意味著當(dāng)連接到電網(wǎng)時，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機是一臺較好的能量轉(zhuǎn)換器。如果施加額定電壓，由于異步發(fā)電機的電流受到限制，就不可能獲得更多的實驗數(shù)據(jù)。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置。該方案是在電網(wǎng)頻率不變的情況下，由風(fēng)輪運行工況變換為電機轉(zhuǎn)速變化工況，從而增加了電能輸出，還可以實現(xiàn)機組的平衡起動和電磁制動，以及電網(wǎng)電壓故障時，控制線路中的伺服電動機可得到備用電源。 風(fēng)力發(fā)電機 目前用來做風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機種類多種多樣,有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機等等。風(fēng)輪機的氣動特性很復(fù)雜, 主要包括: 力矩特性、功率特性、推力特性等。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。當(dāng)風(fēng)速下降時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)，風(fēng)輪的加速、減速對風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用，使風(fēng)力機內(nèi)部能量傳輸部件的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)力發(fā)電機組運行更加平穩(wěn)和安全。目前正在研究一種新型的無刷雙饋發(fā)電機，它采用雙級定子和嵌套偶合的籠型轉(zhuǎn)子。從而在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風(fēng)力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風(fēng)力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當(dāng)簡單，運行非常可靠。下面結(jié)合發(fā)電機和電力電子變換裝置介紹三種連續(xù)變速的發(fā)電系統(tǒng)。這種電機定子繞組有六個接線端子，通過開關(guān)控制不同的接法，即可得到不同的轉(zhuǎn)速。下面介紹不連續(xù)變速運行方式常用的幾種方