风力发电机的设计及风力发电系统的研究毕业设计论文

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)

结束语 (45)

参考文献 (46)

致谢 (48)

附录 A 定子冲片图

附录 B 转子冲片图

附录 C 总装图

风力发电机的设计及风力发电系统的研究

摘要：本文对国内外风力发电的发展现状进行了概述。指出了风力发电机的发展趋势和研究方向。阐述了三相异步电机的结构与原理。重点讲述了三相异步发电机的电磁设计方法，并列出了具体的电磁设计过程。本课题所研究的异步发电机，是目前最理想的风力发电机，前景非常乐观重点介绍了目前风电场中所采用的风力发电机组 ,包括风力机、风力机的功率调节及恒速恒频和变速恒频发电系统。介绍了风力发电机组的三种典型控制策略的理论依据技术路线。设计了一个变速恒频风力发电系统。本设计方案程序简单、结构清楚、数据精确，设计过程追求提高效率，兼顾简化工艺，降低成本等特点。关键词：新能源；风力发电机；变速恒频

I

The design of wind power generator and the research of

wind power system

ABSTRACT: A brief summarization of development on wind turbine generators both in China and in the world is given in this paper. Some development and study tends are presented. Introduce the structure and principle of three–phase asynchronous machines. Elaborated the methods of three–phase asynchronous machines electromagnetic design, lists the details about the process of electromagnetic design. This lesson a study the three–phase asynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topics mentioned here are about wind turbine, power regulation of wind turbine and induction generator in wind farms with electrical power system. This paper introduces three types of representative controlling strategies and technical basis and route in major wind turbine generator with plane shaft. Designed a system of gearshift invariable frequency wind power. This design project procedure is simple, the structure is clear, the data precision, design the process in addition to pursuing to lift high-efficiencily, look after both sides to simplify the craft, decline low cost etc.

Key words: New energy resource；Wind turbine generator；Variety speed invariable frequency

II

第1章绪论

1.1 开发利用风能的动因

风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。

1.1.1经济驱动力

1.1.1.1经济最优化

能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。在这些地区，利用汽油/柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。

1.1.1.2化石能源资源枯竭与供应安全[5]

进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，石油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。

一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。

1.1.1.3促进能源产业升级

风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、

示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。

1.1.2 环境驱动力

除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过《京都议定书》，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。

1.1.3社会驱动力

风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。

另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例子，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。

1.1.4技术驱动力

随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。

1.2 风力发电的现状

1.2.1 世界风力发电现状

20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW 以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100～200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。

世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW,平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿～4.7亿KW。

1.2.2 中国风力发电现状[13]

中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。

20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了１台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW 风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985万KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。

1.3风力发电展望

风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600～750KW，MW级的机组也成批生产，24MW 级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直

径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。

在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕捉的风能要比30m高处多20%。

尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近年来发展了一种变速风力发电机组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。[14]风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性；提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。

此外，发展海上风电场也成为新的大型风力发电机组的应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在规划较大的海上风电场项目。这是由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用为2000h，好的为2600h，而在海上则可达3000h以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为3～8m处，因而同容量装机要比陆上成本增加60%（海上基础占23%，线路占20%，陆上仅占5%）左右，但发电量可以增加50%以上。

第2章风力发电系统的研究

2.1 风力发电系统

风力发电系统是风力发电的重要部分，它不仅直接影响转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电性能好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。在考虑发电机系统方案时，应结合它们的运行方式重点解决以下问题：

1)高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。

2).高效率的实现能量转换，以降低每度电的成本。

3)稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。

目前得到广泛应用的主要有恒速恒频发电系统和变速恒频发电机系统。下面分别作一概要介绍。

2.1.1恒速恒频发电系统

恒速恒频发电系统一般来说比较简单。所采用的发动机主要有两种，即同步

发电机和鼠笼型感应发电机。即同步发电机和鼠笼型感应发电机。前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速的转速运行。

风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机。其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。因为三相电机比起相同额定功率的单相电机来，一般体积较小、效率较高、而且便宜，所以只有在功率很小和仅有单相电网的少数情况下才了考虑采用单相发电机。

同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功率，一台额定容量125KVA、功率因数为0.8的同步发电机可以在提供100KW额定有功功率的同时，向电网提供,+75KW和-75KW之间的任何无功功率值。它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。

同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本相对于感应发电机也比较高。

感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线型两种。在恒速恒频系统中，一般采用鼠笼型异步发电机。它的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆筒形。槽中嵌入金属（铝或铜）导条，在铁心两端用铝或铜端环将导条短接。转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而结构简单、坚固，基本上无需维护。[6]

感应发电机也可以有两种运行方式，即并网运行和单独运行。在并网运行时，感应发电机一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收落后的无功功率。在单独运行时，感应发电机电压的建立需要有一个自励过程。自励的条件，一个是电机本身存在一定的剩磁；另一个是在发电机的定子输出端与负载并联一组适当容量的电容器，使发电机的磁化曲线与电容特性曲线交于正常的运行点，产生所需的额定电压。

2.1.2 变速恒频发电机系统

这是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳的最好方法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。

变速运行的风力发电机有不连续变速和连续变速两大类，下面分别作一概要介绍。

2.1.2.1不连续变速系统

一般来说，利用不连续变速发电机可以获得连续变速运行的某些好处，但不是全部好处。主要效果是比以单一转速的风电机组有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。但它对风速的快速变化实际上只是一台单速风力机，因此不能期望它像连续变速系统那样有效地获取变化的风能。更重要的是，它不能利用转子的惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力机的疲劳寿命。下面介绍不连续变速运行方式常用的几种方法。

1. 采用多台不同转速的发动机

通常是采用两台转速、功率不同的感应发电机，在某一时间内只有一台被联到电网，传动机构的设计使发动机在两章风轮转速下运行在稍贵有各自的头部转速。

2. 双绕组双速感应发电机

这种电机有两个定子绕组，嵌在不同的定子铁心槽内，在某一时间内仅有一个绕组在工作，转子仍是通常的鼠笼型。电机有两种转速，分别决定于两个绕组的极数。比起单速机来，这种发动机要重一些，效率也稍低一些，因为总有一个绕组未被利用，导致损耗相对增大。它的价格当然也比通常的单速电机贵。

3. 双速极幅调制感应发电机

这种感应发电机只有一个定子绕组，转子同前，但可以有两种不同的运行速度，只是绕组的设计不同于普通单速发动机。它的每相绕组由匝数相同的两部分组成，对于一种转速是并联，对于另一种转速是串联，从而使磁场在两种情况下有不同的极数，导致两种不同的运行速度。这种电机定子绕组有六个接线端子，通过开关控制不同的接法，即可得到不同的转速。

双速单绕组极幅调制感应发电机可以得到与双绕组双速发电机极不相同的性能，但重量轻、体积小，因而造价也较低，它的效率与单速发动机大致相同。缺点是电机的旋转磁场不是理想正弦形，因此产生的电流中有不需要的谐波分量。

2.1.2.2连续变速系统

连续变速系统可以通过多种方法来得到，包括机械方法、电/机械方法、电

气方法及电子学方法等。机械方法如采用变速比液压传动或可变传动比机械传动，电/机械方法如采用定子可旋转的感应发电机，电气式变速系统如采用高滑差感应发电机或双定子感应发电机等。这些方法虽然可以得到连续的变速运行，但都存在这样或那样的缺点和问题，在实际应用中难以推广。目前看来最有前景的当属电力电子学方法，这种变速发电系统主要由两部分组成，即发电机和电力电子变换装置。发电机可以是市场上已有的通常电机如同步发电机、鼠笼型感应发电机、绕线型感应发电机等，也有近来研制的新型发电机如磁场调制发电机、无刷双馈发电机等；电力电子变换装置有交流/直流/交流变换器和交流/交流变换器等。下面结合发电机和电力电子变换装置介绍三种连续变速的发电系统。[9]

1. 同步发电机交流/直流/交流系统

其中同步发电机可随风轮变速旋转，产生频率变化的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流来进行控制。发电机发出的频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。

2. 磁场调制发电机系统

采用的发电机为磁场调制型发电机，磁场调制型变速恒频发电机系统由一台专门设计的三相高频交流发电机和一套功率转换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频r f ，用频率为m f (一般是工频50Hz)的低频交流电励磁，则三相电枢绕组的输出电压将是由频率为m r f f +和m r f f -的两个分量组成的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关频率为m f 的恒频正弦波输出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。

由上述可以看出磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合用于并网运行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，这样，风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单，运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正

弦输出波形。还有该系统中的换向操作简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

它的缺点是若想得到三相输出，则必须采用三套磁场调制发电机系统，且各套发电机系统间应保持某一合适的相位差，这就提高了整个系统的成本。磁场调制发电机系统用的高频发电机的转速较高，而风轮转速较低，故系统需要速比较大的增速器，也提高了系统的成本。另外，因其电力电子变换装置处在主电路中，因而容量要大，提高了成本。

3. 双馈发电机系统

双馈发电机的机构类似绕组型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交/交循环变流器）供给三相低频励磁电流，当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度n1与转子的机械转速n2相叠加，使其等于定子的同步转速n3。从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时转速n2随之而变化。在n2变化时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n1，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。

系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成另一种较低频率的电力变换装置，半导体开关器件采用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形，输出频率一般不超过输入频率的三分之一。由于变换装置处在发电机的转子回路（励磁回路），其容量一般不超过发电机额定功率的30%。这种系统中的发电机可以超同步运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n1为负），也可以次同步速运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，

n为正）。在前一种情况

1

下，除了定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力；在后一种情况下，则在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。

上述系统由于发电机与传统的绕线式感应电机类似，一般具有电刷和滑环，需要一定的维护和检修。目前正在研究一种新型的无刷双馈发电机，它采用双级定子和嵌套偶合的笼型转子。这种电机转子类似鼠笼型转子，定子类似单绕组双速感应电机的定子，有6个出线端，其中3个直接与三相电网相连，其余3个则通过电力变换装置与电网相联。前3个端子输出的电力，其频率与电网频率一样，后三个端子输出的电力，其频率相当于转差频率，必须通过电力变换装置（交/交循环变流器）变换成与电网相同的频率和电压后再联入电网。这种发电机系统除具有普通双馈发电机系统的优点外，还有一个很大的优点就是电机结构简单可靠，由于没有电刷和滑环，基本上不需要维护。

2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计

2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点

变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化，而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能。另外，对于恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴、齿轮和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果这种过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时应该加大安全系数，从而导致制造成本增加。而风力发电机采取变速运行时，当风速跃升产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力。当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机内部能量传输部件的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。

变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：

1) 最大限度的捕捉风能。

2). 较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。 采用一定的控制策略（如矢量PWM ）可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用。

3) 采用先进的PWM 控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降成本。

2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构

变速恒频风力发系统以变速恒频为核心,系统结构包括：风能机、齿轮箱、异步发电机、整流装置、储能装置、控制系统六部分组成。

异步发电机三相电枢绕组的输出电压将是由频率为m r f f +和m r f f -的两个分量组成的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关频率为m f 的恒频正弦波输出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。发电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合用于并网运

行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，这样，风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单，运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正弦输出波形。还有该系统中的换向操作简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

系统如图2.1所示：

图2.1 变速恒频风力发电系统

2.2.2.1 风轮机

风轮机是整个风力发电系统能量转换的首要部件, 它用来截获流动空气所具有的动能, 并将风轮机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能, 所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出, 而且直接影响机组的安全稳定运行。风轮机的设计及其空气动力特性的分析一直是风力发电系统研究与开发的一个重要方向。

风轮机的气动特性很复杂, 主要包括: 力矩特性、功率特性、推力特性等。为了阐明充分利用风轮机获取风能、使发电机与风轮机达到最佳配合的方法,下面对风能机的功率特性做简要的分析说明。

设A 为风轮机叶片迎风扫掠面积,ν为空气进入风轮机扫掠面以前的风速(即未扰动风速) , Q 为空气的密度, 则在单位时间(内垂直通过截面A 的空气的动能, 即风轮机的输入功率为:

211()2P A ρνν=

???=3112

P A ρν= (2.1) 定义风能利用系数

1

m p P C P ==风能机输出的机械功率输入风轮面内的功率 (2.2) 所以有: 3112m p p P C P A C ρν==

(2.3) 风能利用系数p C 时表征风轮机效率的重要参数,它随着风轮机转速的不

同,p C 值是变化的.根据贝茨理论[ 3 ] , p C 的最大值为01593。一般的, 对水平轴风

轮机而言, p C = 0. 2～ 0. 5, 而且高速风轮(少叶片风轮属于高速风轮) 的max p C 大于低速风轮的max p C , 同时考虑到在风场中风轮机会受到风速与风向波动的影

响, 高速风轮实际的max p C 大致在0.4 左右, 很难超过0.5。

在某一固定的风速下, 随着风轮机转速n 的变化, CP 的值会相应的变化, 从而使风轮机输出的机械功率Pm 变化, 也就是说, 转速n 变化, 会导致风轮机捕获风能的能力有所不同。

2.2.1.2 齿轮箱

齿轮箱是风轮机和风力发电机之间的传动机构,属于机械部分,它的作用是风能机转动通过齿轮箱的传动而使发电机转动起来。齿轮箱也根据特殊情况采用一些特殊装置,例如:：在孤岛型供电方式的风力发电系统中,可在风力涡轮机与发电机之间装设飞轮,利用飞轮的高惯性在风速过快时进行储能,风速过慢时释放储能,使风力涡轮机输出机械功率稳定。但飞轮的使用受场地限制,且飞轮必须与柴油机配套使用。

2.2.2.3 风力发电机

目前用来做风力发电的风力发电机种类多种多样,有异步发电机、同步发电机、永磁发电机等等。

本系统选用双输出异步发电机,其性能及优越性如下：

异步发电机一直是风能系统中常用的能量转换器，因为把异步发电机并入电网的手续极为简单，只要将转子带动到尽可能接近同步转速，并注意转子转向与定子旋转磁场转向一致，即可并入电网。通常同步发电机并入电网时必须整步，并且并入电网后有时会发生振荡与失步。而且，变速运行的风力发电机能捕捉更多的风能，这可从三个方面来说明：当风速低于用来发出与电网同频率电能所需

的速度时，仍能利用此时的风能。第二，通过对电压和频率的动态控制允许发电机工作在最大效率点。第三，电压和频率的动态控制使电机励磁能跟踪风速变化，因此可以降低机械传动的能量损耗。但该机组的主要缺点是风速小时，电能输出少。为此在风力发电机组的机电变换器线路中利用不同极对数和不同额定功率值的两台异步发电机的方法，可以达到增加输出的目的。该方案是在电网频率不变的情况下，由风轮运行工况变换为电机转速变化工况，从而增加了电能输出，还可以实现机组的平衡起动和电磁制动，以及电网电压故障时，控制线路中的伺服电动机可得到备用电源。

利用两台发电机无疑会增加风力发电机组的年发电量，但同时也会增加主电气设备的成本，增加折旧的运行费用。因此，也有采用一台双速变极发电机来替代两台不同额定功率值的异步发电机。

通过进一步研究发现，双输出异步发电机产生的有功功率、功率因数和效率都较普通感应发电机的高，也就是说它比普通感应发电机具有很大的优越性。

1.双输出异步发电机的工作原理

风能转换系统中使用的传统异步发电机向电网输送电能时，作为恒输出功率的异步发电机以超同步转子速度运行。这个特征在速度高于电机额定转速时损失了风能，也就是说，该系统是作为恒频风能转换系统运行的。为使异步发电机作为一种变速、恒频装置运行，将其转子回路与一个整流器、一个直流耦合变换器和一个有源逆变器相连，使转子回路的转差频率交流电流由半导体整流器整流为直流，再经逆变器把直流变为工频交流送到交流电网中去。这种能量既可以由定子、也可以由转子送到交流电网中，故称双输出异步发电机。此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差频率转换为工频交流的变频装置。控制逆变器的逆变角，就可以改变逆变器的电压。该异步发电机是作为一台双输出感应发电机以超同步速度运行的。这实际上是异步电机的串级调速在风能转换系统中的实际应用。

这种系统中异步发电机转子绕组侧接的整流器是不可控整流器，与转子绕组接交-交变频器的双馈调速系统比较，调节功能要小些，其中最主要的是不能调节定子侧的无功功率，且因逆变器功率因数低，使整个系统的功率因数较低。但由于SCR的应用的衰退，也由于网侧谐波严重，SCR交-交变频电路将被逆变电路所取代；而且，转子侧接交-交变频器时，检测、控制转差频率的电流存在一定的困难，采用上述串级系统就可以解决这个问题。