【正文】 法。 變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)輪以變速運(yùn)行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。它的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)相同。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。 3) 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。此外，發(fā)展海上風(fēng)電場也成為新的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域而受到重視。在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風(fēng)能。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為2MW的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。1983年在山東榮城引進(jìn)3臺丹麥55KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開始并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的試驗和示范。到20世紀(jì)90年代，單機(jī)容量為100～200KW的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場中成為主導(dǎo)機(jī)型。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題，得到了公眾的支持。一個國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場優(yōu)勢。人們開始認(rèn)識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。下面將主要從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會和技術(shù)進(jìn)步四方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動因。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本高于8元/KW。風(fēng)能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強(qiáng)本國的能源供應(yīng)安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀[13]中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。 風(fēng)力發(fā)電展望風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。對葉型的進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運(yùn)行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本相對于感應(yīng)發(fā)電機(jī)也比較高。在并網(wǎng)運(yùn)行時，感應(yīng)發(fā)電機(jī)一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。主要效果是比以單一轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行于最佳葉尖速比附近。它的價格當(dāng)然也比通常的單速電機(jī)貴。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運(yùn)行，但都存在這樣或那樣的缺點(diǎn)和問題，在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，故系統(tǒng)需要速比較大的增速器，也提高了系統(tǒng)的成本。這種系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)可以超同步運(yùn)行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，n1為負(fù)），也可以次同步速運(yùn)行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，為正）。可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風(fēng)能。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變速恒頻風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)能機(jī)、齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)、整流裝置、儲能裝置、控制系統(tǒng)六部分組成。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。 齒輪箱 齒輪箱是風(fēng)輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的傳動機(jī)構(gòu),屬于機(jī)械部分,它的作用是風(fēng)能機(jī)轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機(jī)勵磁能跟蹤風(fēng)速變化，因此可以降低機(jī)械傳動的能量損耗。這個特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時損失了風(fēng)能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行的。但由于SCR的應(yīng)用的衰退，也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴(yán)重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時，檢測、控制轉(zhuǎn)差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生。另外，直流側(cè)的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等，還會引起逆變器的提前短路，形成環(huán)流。單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個，相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少2個；但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋式整流電路的2倍。在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角，靠調(diào)導(dǎo)通角的大小，達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。直流變換器是指直流電壓供電，經(jīng)開關(guān)電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。2) 高頻鏈逆變技術(shù)逆變出交流220V電壓這種方法因為使用高頻變壓器，因此體積小、重量輕、成本也低。 儲能裝置一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能，系統(tǒng)()所示。鋰離子電池：工作電壓高，比能量大，充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。到90年代已被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運(yùn)行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價小．即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時問等；4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機(jī)在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。另外，在有的方案中發(fā)電機(jī)的全部功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機(jī)有三種典型的運(yùn)行狀態(tài)：1) 低風(fēng)速段實(shí)行變速運(yùn)行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)值，根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；2) 轉(zhuǎn)速達(dá)到極限后，風(fēng)速進(jìn)一步加大時．按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)運(yùn)行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能利用系數(shù) 不一定是最大值；3) 超過額定風(fēng)速時，輸出功率達(dá)到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)。在最優(yōu)控制中，性能指標(biāo)的選取直接表明了設(shè)計者的控制目的．若選時間，則為時間最優(yōu)；若選狀態(tài)，則為狀態(tài)最優(yōu)；若選擇控制，則為能量最優(yōu)；若選擇諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制。考慮到磁路的飽和問題，給出相應(yīng)電流控制方法，導(dǎo)出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風(fēng)速時風(fēng)能捕獲效率提高6％。對于永磁電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)，以槳距角和葉尖速比為自變量，采用適于非線性尋優(yōu)的單純形加速法給定不同風(fēng)速下的最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速_，控制反饋到電網(wǎng)的電流來控制直流側(cè)電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲?？刂品椒ú煌?，塔頭在不同方向上的運(yùn)動模式也不同。應(yīng)用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，重點(diǎn)是為一階傳動鏈模式提供阻尼，控制中使用了槳距控制環(huán)和發(fā)電機(jī)勵磁電壓控制環(huán)：傳統(tǒng)控制器包括一個電功率的 PI 環(huán)及一個軸速度的 P 環(huán)，發(fā)電機(jī)使用傳統(tǒng)的 AVR。風(fēng)電系統(tǒng)不但要求最大風(fēng)能捕獲，還要求有平穩(wěn)的力矩傳遞動態(tài)，而最佳葉尖速比跟蹤必須根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致在力矩傳動鏈中產(chǎn)生大的力矩振蕩：采用一類 LQG 方法，用二次型性能指標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化對風(fēng)能捕獲和傳動鏈負(fù)載限制要求，與線性控制方法對比：線性控制器因采用恒值參考速度以及非線性化空氣動力特性的引入，力矩的動態(tài)特性不好；而 LQG 非線性控制器在風(fēng)速變化時，首先減小發(fā)電機(jī)力矩，使轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)風(fēng)速變化，直至力矩達(dá)到新的平衡點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)速度的快速響應(yīng)，減小力矩波動。當(dāng)電網(wǎng)容量足夠大時，電網(wǎng)電壓和頻率均與異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。小型感應(yīng)電機(jī)通常采用半閉口槽和有高強(qiáng)度漆包線繞成的單層繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。轉(zhuǎn)子繞組分為籠形和繞線形兩種。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理，通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。此時電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率，通過電磁感應(yīng)，由轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)。 三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計 三相異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計的特點(diǎn)異步發(fā)電機(jī)與其他發(fā)電機(jī)相比具有一些突出的有點(diǎn)：不像直流發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)那樣，需要直流電源勵磁，并且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無刷（指鼠籠式），這樣運(yùn)行可靠；如與電網(wǎng)并聯(lián)，過程非常簡單，易于控制，只要將轉(zhuǎn)子驅(qū)動到盡量接近同步轉(zhuǎn)速，即可并入電網(wǎng)吸收滯后的無功電電流來激磁。其他電機(jī)如同步電機(jī)、直流電機(jī)的兩種狀態(tài)都有較廣泛的應(yīng)用，已有專門的分析方法。以上兩種情況都使異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本增加。以下所述內(nèi)容均基于上海電器科學(xué)研制所出版的《中小型三相異步電動機(jī)電磁計算程序》 1) 滿載電勢系數(shù)1ee取值范圍不同，~，而異步發(fā)電機(jī)的要大得多，~1之間；2) 異步電動機(jī)中1ee=1( +)，由于異步發(fā)電機(jī)中與之間的夾角大于90176。 65. 轉(zhuǎn)子電阻 導(dǎo)條電阻折算值 ＝ 式中 是疊部整齊造成導(dǎo)條電阻增加的系數(shù)，鑄鋁轉(zhuǎn)子=. 為電阻率——對級絕緣鑄鋁為。然而，經(jīng)過兩周多地大量閱讀參考資料、復(fù)習(xí)專業(yè)書、多次請教老師和同學(xué)以后，逐漸對課題內(nèi)容有了較深的認(rèn)識，從而基本上掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，設(shè)計思路，以及設(shè)計時應(yīng)注意的各種問題和解決問題的方法。自學(xué)能力有了大大的提高，為我以后的工作奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過這么久的設(shè)計雖然很累，壓力也很大。70. 空載電勢標(biāo)么值 ＝＝71. 空載時定子齒磁密 ＝ T ；＝ A/cm72. 空載時轉(zhuǎn)子齒磁密 ＝ T； ＝ A/cm73. 空載時定子軛磁密 ＝ T；＝ A/cm74. 空載時轉(zhuǎn)子軛磁密 ＝ T；＝ A/cm75. 空載時氣隙磁密 ＝ T76. 空載定子齒磁壓降 ＝ A77. 空載轉(zhuǎn)子齒磁壓降 ＝ A78. 空載定子軛磁壓降 ＝ A79. 空載轉(zhuǎn)子軛磁壓降 ＝ A80. 空載氣隙磁壓降 ＝ A81. 空載總磁壓降 ＝ A82. 空載磁化電流 ＝83. 定子電流標(biāo)么值 ＝= 定子電流實(shí)際值 ＝ A84. 定子電流密度 ＝ 85. 線負(fù)荷 ＝44251 A/m86. 轉(zhuǎn)子電流標(biāo)么值 ＝ A轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值 ＝ A 端環(huán)電流實(shí)際值 ＝ A87. 轉(zhuǎn)子電流密度 導(dǎo)條電密 ＝ 端環(huán)電密 ＝ 88. 定子電氣損耗 ＝ ＝ W89. 轉(zhuǎn)子電氣損耗 ＝ ＝ W90. 附加損耗 銅條轉(zhuǎn)子 ＝ W91. 機(jī)械損耗 可參考實(shí)際試驗值92. 定子鐵耗 （1）定子齒重量 ＝ Kg （2）定子軛重量 ＝ Kg （3）損耗系數(shù) （查）（4）定子齒損耗 ＝ W（5）定子軛損耗 ＝ W（6）定子鐵耗 ＝ W鐵耗校正系數(shù) （半閉口槽），（開口槽）2 （半閉口槽），（開口槽） 鐵耗標(biāo)么值 ＝93. 總損耗表么值 ＝94. 輸入功率 ＝95. 效率 ＝=96. 功率因數(shù) ＝=97. 轉(zhuǎn)差率 ＝ % ＝98. 轉(zhuǎn)速 ＝1490 r/min99. 最大轉(zhuǎn)矩 ＝結(jié)束語通過將近一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計，使我學(xué)到了很多東西。4) 電動機(jī)計算鐵耗時對應(yīng)于空載時的電勢=1e0，而發(fā)電機(jī)滿載時的鐵耗應(yīng)對應(yīng)于滿載電勢=1ee；5) 用=（1ee）/更接近發(fā)電機(jī)實(shí)際情況。發(fā)電機(jī)發(fā)熱，絕緣老化，降低發(fā)電機(jī)壽命，所以，異步發(fā)電機(jī)的滿載電勢系數(shù)取值要大得多，～。長期以來只注重異步電動機(jī)的設(shè)計和制造，而異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計和制造或是照搬異步電動機(jī)，或是用相近容量的異步電動機(jī)作為異步電機(jī)來使用，通過以下的分析可知這種簡單的照搬是不恰當(dāng)?shù)?。異步發(fā)電機(jī)的激磁電流比較大，一般中大型異步電機(jī)的＝（20～30）％，而大型同步發(fā)電機(jī)的激磁容量常不到額定容量的1%.而對自激異步發(fā)電機(jī)來說，它所需要的激磁電流有并聯(lián)的電容來提供，按從傳統(tǒng)的方法使并聯(lián)價格較高且較笨重的電力電容器。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢以及電流的有功分量將與電動機(jī)狀態(tài)時相反，因此電磁轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑴c旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向兩者相反，即電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ns子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差Δn與同步轉(zhuǎn)速ns的比值為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：S= （）轉(zhuǎn)差率是表征異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個基本變量。為節(jié)約用銅和提高生產(chǎn)率，小型籠形電機(jī)一般都用鑄鋁轉(zhuǎn)子；對中，大型電機(jī)，由于鑄鋁質(zhì)量不易保證固用銅條插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，再在兩端焊端環(huán)的結(jié)構(gòu)。中型感應(yīng)電機(jī)通常采用半開口槽。另外它的低耗，高可靠性，無需勵磁裝置和電刷，結(jié)構(gòu)簡單尺寸小，堅固耐用，基本上無需維修，它已成為風(fēng)力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設(shè)備。最優(yōu)控制技術(shù)是所有先進(jìn)控制技術(shù)中在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最早、相對比較成熟的控制方法。此類 MIMO 方案可獲得更平穩(wěn)的槳距調(diào)整過程，在硬件兼容的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)方案也是可行的。最常見的兩種功率控制方法是槳距調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)的電磁制動轉(zhuǎn)矩控制。試驗結(jié)果證明了控制策略的可行性。轉(zhuǎn)子回路中接有兩個背靠背的變頻器，目的是通過最小化電氣損耗獲得系統(tǒng)全局最大效率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的最佳速度跟蹤，電機(jī)功率因