【正文】 法。 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于風輪以變速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。它的定子鐵心和定子繞組的結構與同步發(fā)電機相同。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)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。此外，發(fā)展海上風電場也成為新的大型風力發(fā)電機組的應用領域而受到重視。在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。例如，單機容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為2MW的風力機葉輪掃風直徑達72m。1983年在山東榮城引進3臺丹麥55KW風力發(fā)電機組，開始并網(wǎng)風力發(fā)電技術的試驗和示范。到20世紀90年代，單機容量為100～200KW的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點問題，得到了公眾的支持。一個國家如果開發(fā)利用風能技術早，就有可能占據(jù)風能利用的技術和市場優(yōu)勢。人們開始認識到，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、環(huán)境、社會和技術進步四方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔的成本高于8元/KW。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。風能在能源轉化工程中不會產(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。 中國風力發(fā)電現(xiàn)狀[13]中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。 風力發(fā)電展望風力發(fā)電技術目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機容量不斷增大上。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。其運行維護費用也較低。因此，研制和選用適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。同步發(fā)電機的缺點是它的結構以及控制系統(tǒng)比較復雜，成本相對于感應發(fā)電機也比較高。在并網(wǎng)運行時，感應發(fā)電機一方面向電網(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速的風電機組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風速范圍內(nèi)運行于最佳葉尖速比附近。它的價格當然也比通常的單速電機貴。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運行，但都存在這樣或那樣的缺點和問題，在實際應用中難以推廣。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)電機轉速無關頻率為的恒頻正弦波輸出。磁場調制發(fā)電機系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機的轉速較高，而風輪轉速較低，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)電機可以超同步運行（轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，n1為負），也可以次同步速運行（轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，為正）?？梢酝ㄟ^適當?shù)目刂疲癸L力機的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構變速恒頻風力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結構包括：風能機、齒輪箱、異步發(fā)電機、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 齒輪箱是風輪機和風力發(fā)電機之間的傳動機構,屬于機械部分,它的作用是風能機轉動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉動起來。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風速變化，因此可以降低機械傳動的能量損耗。這個特征在速度高于電機額定轉速時損失了風能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風能轉換系統(tǒng)運行的。但由于SCR的應用的衰退，也由于網(wǎng)側諧波嚴重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉子側接交交變頻器時，檢測、控制轉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，部分或全部由轉子電壓產(chǎn)生。另外，直流側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，相應地，晶閘管的門極驅動電路也少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，導通的正弦曲線的后一部分稱為導通角，靠調導通角的大小，達到調整輸出電壓和穩(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。 儲能裝置一般的風力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風力發(fā)電機儲能，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，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。到90年代已被應用于風力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風力發(fā)電系統(tǒng)。考慮到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：1) 風能轉換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價?。磳Σ煌斎胄盘柕姆涤幸欢ㄏ拗疲缯{向的時問等；4) 最大限度地將風能轉換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質質量。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率通過變頻器進行轉換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉換。風力發(fā)電機組控制目標通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風能的最大捕獲以提高風能轉換效率以及改善電能質量問題為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態(tài)：1) 低風速段實行變速運行，可保持一個恒定的風能利用系數(shù)值，根據(jù)風速變化控制風力機轉速，使葉尖速比不變，直到轉速達到極限；2) 轉速達到極限后，風速進一步加大時．按恒定轉速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能利用系數(shù) 不一定是最大值；3) 超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調節(jié)風力機。在最優(yōu)控制中，性能指標的選取直接表明了設計者的控制目的．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?？紤]到磁路的飽和問題，給出相應電流控制方法，導出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風速時風能捕獲效率提高6％。對于永磁電機風電系統(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速下的最佳風輪轉速_，控制反饋到電網(wǎng)的電流來控制直流側電壓，調節(jié)電機轉速，實現(xiàn)最大風能捕獲?？刂品椒ú煌?，塔頭在不同方向上的運動模式也不同。應用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風能轉換系統(tǒng)中，重點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)電機使用傳統(tǒng)的 AVR。風電系統(tǒng)不但要求最大風能捕獲，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)風速調節(jié)風機轉速，導致在力矩傳動鏈中產(chǎn)生大的力矩振蕩：采用一類 LQG 方法，用二次型性能指標函數(shù)來優(yōu)化對風能捕獲和傳動鏈負載限制要求，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 非線性控制器在風速變化時，首先減小發(fā)電機力矩，使轉速快速響應風速變化，直至力矩達到新的平衡點，可實現(xiàn)速度的快速響應，減小力矩波動。當電網(wǎng)容量足夠大時，電網(wǎng)電壓和頻率均與異步發(fā)電機的轉速無關。小型感應電機通常采用半閉口槽和有高強度漆包線繞成的單層繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。轉子繞組分為籠形和繞線形兩種。 風力發(fā)電機的原理風力發(fā)電機是利用電磁感應原理，通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉磁場，并與轉子繞組中的感應電流相互產(chǎn)生電磁轉矩，以進行能量轉換。此時電機從電網(wǎng)輸入功率，通過電磁感應，由轉子輸出機械功率，電機處于電動機狀態(tài)。 三相異步發(fā)電機的電磁設計 三相異步發(fā)電機電磁設計的特點異步發(fā)電機與其他發(fā)電機相比具有一些突出的有點：不像直流發(fā)電機和同步發(fā)電機那樣，需要直流電源勵磁，并且結構簡單、體積小、無刷（指鼠籠式），這樣運行可靠；如與電網(wǎng)并聯(lián)，過程非常簡單，易于控制，只要將轉子驅動到盡量接近同步轉速，即可并入電網(wǎng)吸收滯后的無功電電流來激磁。其他電機如同步電機、直流電機的兩種狀態(tài)都有較廣泛的應用，已有專門的分析方法。以上兩種情況都使異步發(fā)電機運行成本增加。以下所述內(nèi)容均基于上海電器科學研制所出版的《中小型三相異步電動機電磁計算程序》 1) 滿載電勢系數(shù)1ee取值范圍不同，~，而異步發(fā)電機的要大得多，~1之間；2) 異步電動機中1ee=1( +)，由于異步發(fā)電機中與之間的夾角大于90176。 65. 轉子電阻 導條電阻折算值 ＝ 式中 是疊部整齊造成導條電阻增加的系數(shù)，鑄鋁轉子=. 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、復習專業(yè)書、多次請教老師和同學以后，逐漸對課題內(nèi)容有了較深的認識，從而基本上掌握了風力發(fā)電機的工作原理，設計思路，以及設計時應注意的各種問題和解決問題的方法。自學能力有了大大的提高，為我以后的工作奠定了基礎。經(jīng)過這么久的設計雖然很累，壓力也很大。70. 空載電勢標么值 ＝＝71. 空載時定子齒磁密 ＝ T ；＝ A/cm72. 空載時轉子齒磁密 ＝ T； ＝ A/cm73. 空載時定子軛磁密 ＝ T；＝ A/cm74. 空載時轉子軛磁密 ＝ T；＝ A/cm75. 空載時氣隙磁密 ＝ T76. 空載定子齒磁壓降 ＝ A77. 空載轉子齒磁壓降 ＝ A78. 空載定子軛磁壓降 ＝ A79. 空載轉子軛磁壓降 ＝ A80. 空載氣隙磁壓降 ＝ A81. 空載總磁壓降 ＝ A82. 空載磁化電流 ＝83. 定子電流標么值 ＝= 定子電流實際值 ＝ A84. 定子電流密度 ＝ 85. 線負荷 ＝44251 A/m86. 轉子電流標么值 ＝ A轉子電流實際值 ＝ A 端環(huán)電流實際值 ＝ A87. 轉子電流密度 導條電密 ＝ 端環(huán)電密 ＝ 88. 定子電氣損耗 ＝ ＝ W89. 轉子電氣損耗 ＝ ＝ W90. 附加損耗 銅條轉子 ＝ W91. 機械損耗 可參考實際試驗值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. 轉差率 ＝ % ＝98. 轉速 ＝1490 r/min99. 最大轉矩 ＝結束語通過將近一個學期的畢業(yè)設計，使我學到了很多東西。4) 電動機計算鐵耗時對應于空載時的電勢=1e0，而發(fā)電機滿載時的鐵耗應對應于滿載電勢=1ee；5) 用=（1ee）/更接近發(fā)電機實際情況。發(fā)電機發(fā)熱，絕緣老化，降低發(fā)電機壽命，所以，異步發(fā)電機的滿載電勢系數(shù)取值要大得多，～。長期以來只注重異步電動機的設計和制造，而異步發(fā)電機的電磁設計和制造或是照搬異步電動機，或是用相近容量的異步電動機作為異步電機來使用，通過以下的分析可知這種簡單的照搬是不恰當?shù)摹．惒桨l(fā)電機的激磁電流比較大，一般中大型異步電機的＝（20～30）％，而大型同步發(fā)電機的激磁容量常不到額定容量的1%.而對自激異步發(fā)電機來說，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。此時轉子導體中的感應電動勢以及電流的有功分量將與電動機狀態(tài)時相反，因此電磁轉矩的方向將與旋轉磁場和轉子轉向兩者相反，即電磁轉矩為制動性質的轉矩。旋轉磁場的轉速ns子轉速n之差稱為轉差，轉差Δn與同步轉速ns的比值為轉差率，用s表示，即：S= （）轉差率是表征異步電機運行狀態(tài)的一個基本變量。為節(jié)約用銅和提高生產(chǎn)率，小型籠形電機一般都用鑄鋁轉子；對中，大型電機，由于鑄鋁質量不易保證固用銅條插入轉子槽內(nèi)，再在兩端焊端環(huán)的結構。中型感應電機通常采用半開口槽。另外它的低耗，高可靠性，無需勵磁裝置和電刷，結構簡單尺寸小，堅固耐用，基本上無需維修，它已成為風力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設備。最優(yōu)控制技術是所有先進控制技術中在風力發(fā)電系統(tǒng)中應用最早、相對比較成熟的控制方法。此類 MIMO 方案可獲得更平穩(wěn)的槳距調整過程，在硬件兼容的基礎上，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節(jié)和發(fā)電機的電磁制動轉矩控制。試驗結果證明了控制策略的可行性。轉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，實現(xiàn)最大風能捕獲的最佳速度跟蹤，電機功率因