畢業(yè)論文 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

1、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究摘要當(dāng)今社會(huì)，隨著科技的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，新能源越來越被人們所熟知和使用。在各種新能源發(fā)電，例如：太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電以其清潔性好，可利用率高，取之不盡用之不竭等等優(yōu)點(diǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在各國(guó)大力發(fā)展的對(duì)象。由于以前的一些控制技術(shù)的原因，風(fēng)力發(fā)電沒有得到更好的發(fā)展，但是，隨著科技的發(fā)展，近年來風(fēng)能已經(jīng)可以得到更好的控制和大規(guī)模的發(fā)展。世界各國(guó)也都在加大對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)，并投入了大量資金。本文就是在這個(gè)大背景下，以變速恒頻雙饋風(fēng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制為主要題目，以如何控制風(fēng)機(jī)輸出恒定電壓頻率并確保系統(tǒng)捕獲最大風(fēng)能等，做了一些研究。變速恒頻雙饋（VSCF）風(fēng)力

2、發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和計(jì)算機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。本文首先介紹了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展概況還有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)；其次介紹了雙饋風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)；再次討論了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同的風(fēng)速下的運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用PLC編程式控制制轉(zhuǎn)速，以達(dá)到風(fēng)機(jī)最高功率輸出；最后，基于PSCAD軟件建立變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型。關(guān)鍵字：變速恒頻雙饋 能源危機(jī) 環(huán)境保護(hù) 風(fēng)力發(fā)電目錄摘要Abstract第一章 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況 1.1.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概況 1.1.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概況 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成與簡(jiǎn)介 1.2.1 機(jī)組構(gòu)成 1.2.2 運(yùn)行方式 1.2.3

3、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介 1.3 風(fēng)力機(jī)的分類及結(jié)構(gòu) 第二章 風(fēng)力機(jī)的理論基礎(chǔ)第一章 緒論 能源是指可以從其獲得能量（如光能、機(jī)械能、電能、熱能等）的來源。能源是人類賴以生存的必不可少的物質(zhì)，以前我們所熟知的能源都是一次性的不可再生的（如煤礦、石油、天然氣等），但是隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，世界能源的需求量也越來越大，傳統(tǒng)的能源消耗快、污染大且不可再生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界已經(jīng)探明的石油、天然氣和煤礦資源，分別能供應(yīng)44年,62年和122年。到本世界末，人類將會(huì)面臨化石能源的枯竭。而且，化石能源在消耗的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生很多的污染物和廢氣，如煤燃燒不完剩下的礦渣，燃燒時(shí)產(chǎn)生的C02，SO2，NO2，NO

4、等。這些廢氣排放到大氣中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，例如酸雨和溫室效應(yīng)的產(chǎn)生，嚴(yán)重危害全球生態(tài)和人類健康。所以現(xiàn)在能源非常緊迫，全世界都面臨著能源枯竭和保護(hù)環(huán)境的巨大壓力。隨著能源危機(jī)日益嚴(yán)重，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始在新能源的開發(fā)與利用方面投入了大量的人力物力，使得越來越多的新能源被人們發(fā)現(xiàn)并利用，例如水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿?。這些新能源因?yàn)槠涞目稍偕?、清潔無污染性等，近年來被各國(guó)政府科學(xué)家所熱愛。各國(guó)根據(jù)自己國(guó)家能源的分布情況開始大力發(fā)展新能源。其中，因?yàn)轱L(fēng)的普遍性，各國(guó)開始大力發(fā)展風(fēng)能。風(fēng)能清潔、安全、資源豐富、取之不盡，是各個(gè)新能源中再生速度最快，利用最高的、最具開發(fā)潛質(zhì)的新型環(huán)保綠色能源。

5、風(fēng)能的儲(chǔ)量非常豐富，全球風(fēng)能總量達(dá)到24700億千瓦，但是其中可以利用的風(fēng)能只有200億千瓦。據(jù)估計(jì)，地球上的風(fēng)能是水能的十倍，可達(dá)到每年53萬億千瓦時(shí)，目前已被開發(fā)和利用的知識(shí)其中的一小部分。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2020年，全球的電力需求為25.578萬億千瓦時(shí)。根據(jù)該預(yù)測(cè)計(jì)算，只要充分利用地球上風(fēng)能的50%，就可以滿足全球能源的需求，當(dāng)然，以現(xiàn)在的科技水平是達(dá)不到的。風(fēng)能發(fā)電是風(fēng)能最基本和最主要的利用，是近幾年新能源開發(fā)中技術(shù)相對(duì)成熟，最具開發(fā)規(guī)模的。在將來，有望成為全世界重要的替代能源。風(fēng)力發(fā)電投資少、占地面積小、建設(shè)周期短、清潔無污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益和很好的商業(yè)化發(fā)展前

6、景而倍受各國(guó)青睞，成為許多國(guó)家發(fā)展新能源的首選方案。1.1國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況 1.1.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電概況風(fēng)力發(fā)電起源于丹麥。早在1890年，丹麥政府就制定了一項(xiàng)風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，經(jīng)過18年的不懈努力，首批72臺(tái)單機(jī)功率528KW的風(fēng)力機(jī)問世。至1918年，發(fā)展到120臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在1993-2003年這段時(shí)間內(nèi)，全世界的風(fēng)力發(fā)電容量以每年30%的速度遞增。2003年全球有超過8000MW的新風(fēng)力發(fā)電容量增量，達(dá)到90億美元的投資。作為風(fēng)能的起源地，丹麥在2008年建設(shè)750MW的新風(fēng)力發(fā)電容量，使這個(gè)國(guó)家的總風(fēng)電容量達(dá)到了4000MW，為它提供了25%的電力。其中包括了海上風(fēng)力發(fā)電。時(shí)至今日

7、，丹麥成為世界上生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國(guó)。1931年，前蘇聯(lián)研制出一臺(tái)100KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1941年，美國(guó)制造了一臺(tái)1250KW、風(fēng)輪直徑53.3m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1973年，世界爆發(fā)全球性石油危機(jī)，由于石油的短缺及礦物質(zhì)燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染等問題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始在風(fēng)力發(fā)電的研究與應(yīng)用方面投入了大量的人力物力和資金，制定了一系列的開發(fā)計(jì)劃。一大批大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組陸續(xù)研制成功，例如：1975年，丹麥2000KW；1976年，西德，3000KW；1981年，英國(guó)，3700KW；1983年，加拿大，3800KW；1985年，美國(guó)，7300KW。經(jīng)過10多年的發(fā)展，到20實(shí)際80年代中期，中、

8、大型風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)量逐年增加，并在美國(guó)、西北歐出現(xiàn)了“風(fēng)電場(chǎng)”。到1987年底，美國(guó)加利福尼亞州安裝了約16400臺(tái)不同容量的發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量約達(dá)140萬千瓦時(shí)。近20年來，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較快的國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、丹麥、荷蘭、英國(guó)、西班牙、瑞典、希臘、意大利等。世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量以每年20%30%的速度遞增。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電完全可以和火電廠競(jìng)爭(zhēng)，在某些地區(qū)甚至可以和火力發(fā)電匹敵。歐洲2007年新增電源中，風(fēng)電首次超過天然氣發(fā)電，成為第一大電源；美國(guó)2007年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于氣電，位于第二。盡管發(fā)張風(fēng)力發(fā)電仍然存在著這樣那樣的難度，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風(fēng)能資源

9、預(yù)報(bào)水平、海上風(fēng)電發(fā)展等，蛋在市場(chǎng)穩(wěn)步擴(kuò)大、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度不斷提升、與常規(guī)能源相比的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)逐步凸顯，特別市政策環(huán)境前景非常明朗的情況下，世界各國(guó)都對(duì)風(fēng)電發(fā)展充滿了信心。例如，歐美都公布了2030年風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，提出了2030年風(fēng)電滿足20%甚至更多的電力需求的宏大目標(biāo)。屆時(shí)，都將發(fā)展約3億千瓦的規(guī)模，這也為全球風(fēng)電的長(zhǎng)期發(fā)展定下了基調(diào)。國(guó)際能源署（IEA）2008年頒布的2050年能源技術(shù)情景判斷，2010年2050年，全球風(fēng)電每年增加了7000萬千瓦，風(fēng)電將成為一個(gè)龐大的新興電力市場(chǎng)。圖表 1 2006年世界累計(jì)裝機(jī)和新增裝機(jī)容量近20年來，國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）

10、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為主流型，只有美國(guó)、加拿大等少數(shù)國(guó)家仍在研制和生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。（2）單機(jī)容量不斷增大，風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換效率不斷提高。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從600KW發(fā)展到20005000KW，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)額定功率最大已經(jīng)到5MW，葉輪直徑達(dá)到126m，變速變漿距技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，成為近年來新增并網(wǎng)機(jī)組的主要控制方式。（3）風(fēng)電場(chǎng)正在向提高機(jī)群安裝場(chǎng)地的準(zhǔn)確性，改進(jìn)機(jī)群布置的合理性，提高運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的最佳控制，進(jìn)一步降低設(shè)備的投資和發(fā)電成本等方向發(fā)展。（4）海上風(fēng)力發(fā)電已開始被越來越多的國(guó)家所重視。（5）葉片材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維，提高了葉

11、片的柔性。葉片的形狀進(jìn)一步改進(jìn)，增加了風(fēng)輪捕捉風(fēng)能的性能。圖表 2 2009年世界裝機(jī)容量排名1.1.2 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電概況我國(guó)幅員遼闊，礦產(chǎn)豐富，但是我國(guó)是一個(gè)超級(jí)人口大國(guó)，雖然礦藏豐富居世界前列，可是一平均排名還不及世界平均水平。而且現(xiàn)在我國(guó)主要的能源結(jié)構(gòu)中，煤礦占據(jù)了相當(dāng)大的一份比例，這是我們的國(guó)情。由于化石資源的不環(huán)保，且不可再生，以及國(guó)家對(duì)于能源安全環(huán)保等各方面的考慮，在石油價(jià)格居高不下的情況下，替代能源和新能源的開發(fā)和利用必然受到高度重視。雖然替代能源在一定的程度上可以改善化石能源產(chǎn)生的一系列污染物，可是畢竟還是不清潔的，也沒有從根本上解決化石能源危機(jī)。因此，相對(duì)替代能源來說，新能源

12、更具有發(fā)展前景。在眾多新能源中，風(fēng)力發(fā)電因其的技術(shù)相對(duì)成熟目前發(fā)長(zhǎng)速度較快。我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)能非常豐富，儲(chǔ)量達(dá)到32億千瓦，而陸地上的裝機(jī)容量為2.53億千瓦，而海上的風(fēng)能資源為陸地上的三倍。所以，中國(guó)的可開發(fā)風(fēng)能裝機(jī)容量高達(dá)10億千瓦，居世界第一。具有商業(yè)化，規(guī)模化的發(fā)展前景。1985年，我國(guó)在海南安裝了第一臺(tái)進(jìn)口風(fēng)機(jī)，至此，中國(guó)終于拉開了風(fēng)力發(fā)電的序幕。經(jīng)過21年的不懈努力與奮斗，中國(guó)（除臺(tái)灣省）到2005年底，現(xiàn)有并網(wǎng)風(fēng)電59座，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1260萬千瓦。后來，經(jīng)過6年的發(fā)展和鉆研，2011年底，中國(guó)（不包括臺(tái)灣地區(qū)），新增安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組11409臺(tái)，裝機(jī)容量17630.9MW，累計(jì)

13、安裝風(fēng)電機(jī)組45894臺(tái)，裝機(jī)容量62364.2MW，年增長(zhǎng)39.4%。圖表 3 2001年2011年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)新增容量總體的來看，中國(guó)由于種種原因，風(fēng)力發(fā)電起步晚，技術(shù)還不成熟，比較落后，現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)單機(jī)容量很低，還需要政府的扶持和引導(dǎo)。1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成與簡(jiǎn)介 1.2.1 機(jī)組構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速器、發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)等組成，由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能，由增速器將風(fēng)力機(jī)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械能變成與發(fā)電機(jī)軸相匹配的機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能傳送給電網(wǎng)或其他電負(fù)荷?？刂葡到y(tǒng)則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、安全及運(yùn)行控制等。圖表 4變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電

14、系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，風(fēng)以一定的速度和攻角作用在風(fēng)力機(jī)的槳葉上，使風(fēng)輪受到旋轉(zhuǎn)力矩的作用而旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，一般在十幾r/min幾十r/min范圍內(nèi)，需要經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)升速后，才能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。感應(yīng)發(fā)電機(jī)一般為4級(jí)（同步轉(zhuǎn)速1500r/min）或6級(jí)（同步轉(zhuǎn)速1000r/min）。近年來，直驅(qū)式低速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，這種風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，省去了中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，顯著提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低了噪聲和維護(hù)費(fèi)用，也提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。發(fā)電機(jī)的任務(wù)是將風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)電

15、機(jī)轉(zhuǎn)子以一定的速度旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)的電樞繞組切割磁場(chǎng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并向負(fù)載（電網(wǎng)）供電。從而實(shí)現(xiàn)從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)的選型與風(fēng)力機(jī)類型以及控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)廣泛采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。采用變槳距風(fēng)力機(jī)，系統(tǒng)采用變速恒頻控制時(shí)，應(yīng)該選用雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)中，一般猜用永磁同步發(fā)電機(jī)，為了降低控制成本，提高系統(tǒng)的控制性能，也采用混合勵(lì)磁（既有電勵(lì)磁、又有永磁）同步發(fā)電機(jī)。對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般采用低速（多極）永磁同步發(fā)電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)由各種傳感器、控制器以及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。各種傳感器包括：風(fēng)速-風(fēng)向傳感器、轉(zhuǎn)速

16、傳感器、槳距角位置傳感器、各種電量變送器、溫度傳感器、震動(dòng)傳感器、各種限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)壓力感測(cè)器以及各種操作開關(guān)和按鈕等。這些傳感器、各種限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)壓力感測(cè)器以及各種操作開關(guān)和按鈕等。這些傳感器信號(hào)將傳送至控制器進(jìn)行運(yùn)算處理。風(fēng)力大電機(jī)組的控制系統(tǒng)一般以PLC為核心，包括其硬件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。上述傳感器信號(hào)表明了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前運(yùn)行的狀態(tài)，當(dāng)與機(jī)組的給定狀態(tài)不相一致時(shí)，經(jīng)過PLC的適當(dāng)運(yùn)算和處理后，由控制器發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)能夠在給定狀態(tài)下運(yùn)行，從而完成各種控制功能。這些控制功能主要有：變槳距控制、失速控制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制以及偏航控制等?？刂频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可以采

17、用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有兩種系統(tǒng)控制方式，一種是恒速恒頻控制方式，另一種是變速恒頻控制方式。恒頻恒速采用“恒速風(fēng)力機(jī)+感應(yīng)發(fā)電機(jī)”，一般采用定槳距失速調(diào)節(jié)或者主動(dòng)失速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。另一種則采用“變速風(fēng)力機(jī)+變速發(fā)電機(jī)”，在額定風(fēng)速以下時(shí)，控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以保持最佳葉尖速比，以便最大限度地捕獲風(fēng)能，從而保證發(fā)電機(jī)恒功率（一般為額定功率）輸出?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)具有各種保護(hù)功能是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生危險(xiǎn)或者故障時(shí)能夠快速報(bào)警并迅速轉(zhuǎn)換為安全狀態(tài)。嚴(yán)重的危險(xiǎn)和故障往往導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組直接停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)還有傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變距系統(tǒng)，以及機(jī)艙、塔架等重要部

18、件。圖表 5 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.2.2 運(yùn)行方式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式一共有三種，他們分別是單機(jī)運(yùn)行方式、組合運(yùn)行方式和并網(wǎng)運(yùn)行方式。1、單機(jī)運(yùn)行方式在偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)，海島以及邊防哨所、氣象站、微波站、導(dǎo)航燈塔等電網(wǎng)覆蓋不到的地方，可以采用單機(jī)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電。單機(jī)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)常常為10KW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。單機(jī)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)又稱為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)速的隨機(jī)性，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率和電壓也在隨機(jī)變化著，這種電能難以直接使用，往往將其首先儲(chǔ)存在蓄電池中，然后再加以利用。蓄電池可以直接帶直流負(fù)載，也可以逆變成交流電后給交流負(fù)載供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能常常采用鉛

19、酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。鉛酸蓄電池的單元電壓為2V，鎳鎘蓄電池的單元電壓為1.2V，蓄電池組的電壓一般為12V或24V，采用更高電壓（36V或48V）是需要考慮成占用空間、成本和維護(hù)等問題。鉛酸蓄電池的壽命較短，而鎳鎘蓄電池價(jià)格比較高。2、組合運(yùn)行方式組合運(yùn)行方式是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其他發(fā)電形式組合起來，構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定供電系統(tǒng)的一種互補(bǔ)運(yùn)行方式，也是一種離網(wǎng)運(yùn)行方式。主要有風(fēng)力機(jī)-柴油發(fā)電組合運(yùn)行方式和風(fēng)力-太陽能發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式兩種。（1） 風(fēng)力-柴油發(fā)電組合運(yùn)行方式為了彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)組合在一起，構(gòu)成一個(gè)較為穩(wěn)定的離網(wǎng)型供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有兩種不同的運(yùn)行方式，即

20、獨(dú)立切換運(yùn)行方式和并聯(lián)運(yùn)行方式。采用獨(dú)立切換運(yùn)行方式時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)之間沒有任何機(jī)械上和電氣上的聯(lián)系，有風(fēng)時(shí)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電；無風(fēng)時(shí)則切換到柴油發(fā)電機(jī)供電。采用并聯(lián)運(yùn)行方式時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)輸出端并聯(lián)后共同向負(fù)載供電。然而兩種發(fā)電機(jī)的特性迥異，又分別具有完全不同的控制系統(tǒng)，要想使并聯(lián)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，就必須解決并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性問題，因此在并聯(lián)運(yùn)行方式上技術(shù)有一定的困難。（2） 風(fēng)力-太陽能發(fā)電組合運(yùn)行方式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還可以和太陽能電池組合在一起，構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。風(fēng)能和太陽能受季節(jié)變化、地理變化、晝夜變化的影響較大，具有穩(wěn)定性差、能量密度低等缺點(diǎn)，單獨(dú)使用時(shí)往往影

21、響到供電的可靠性。而采用這種組合方式，可以構(gòu)成一個(gè)能量互補(bǔ)系統(tǒng)，提高了供電的。圖表 6 風(fēng)力-太陽能發(fā)電組合運(yùn)行方式3、并網(wǎng)運(yùn)行方式并網(wǎng)運(yùn)行就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，為了儲(chǔ)存電能，需要配置很多的蓄電池，因而帶來了很多麻煩。而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行可以說是一種最便捷和最有效的儲(chǔ)能方式。發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)過程都需要經(jīng)過啟動(dòng)、投入并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行這樣幾個(gè)階段。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的下列數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，以便對(duì)發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量做出判斷：（1） 最大功率輸出（10min平均值、60s平均值、200ms平均值）。（2） 有功功率和無功功率（10min平均值）。（3） 連續(xù)運(yùn)行是得閃變

22、系數(shù)。（4） 以10min和120min為周期的風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。（5） 連續(xù)運(yùn)行時(shí)的諧波電流（計(jì)算至50次諧波，10min平均值）（6） 輸出電流的不平衡度。1.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介1、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小型風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)是采用玻璃鋼葉片，上風(fēng)式，利用尾舵對(duì)風(fēng)向，利用調(diào)節(jié)風(fēng)輪迎風(fēng)面積來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，一般用蓄電池儲(chǔ)存電能以備無風(fēng)時(shí)供電。表1.1 我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)項(xiàng)目型號(hào)FD1.6-50FD5.6-1000FD7-3000FD7-10K葉片數(shù)2332風(fēng)輪直徑（m）1.62.5567起始風(fēng)速（m/s）3345額定風(fēng)速（m/s）89.8811.5停機(jī)風(fēng)速（m/s）16212060額定功率（W）5

23、01000200010000發(fā)電機(jī)永磁三相永磁無刷硅整流同步發(fā)電機(jī)發(fā)電額定電壓（V）1224/48110380發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）4003507501450蓄電池容量（A.h）60120182700塔高（m）59912整機(jī)重量（kg）70285150030002、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組丹麥?zhǔn)鞘澜缟献钤缋蔑L(fēng)能發(fā)電的國(guó)家。僅在1980年1981年就安裝了1050KW容量的中型發(fā)電機(jī)500余臺(tái)。我國(guó)中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)起步較晚，始于20世紀(jì)80年代，至20世紀(jì)末的近20年的時(shí)間先后研制了18kw,3055kw，75kw的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。3、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在向大容量方向發(fā)展，國(guó)際上單

24、機(jī)容量已達(dá)到5MW。我國(guó)現(xiàn)在正在奮起直追大型風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造，已經(jīng)可以批量生產(chǎn)1.5MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。3.0MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也已經(jīng)下線，目前已經(jīng)開始研制5.0MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1.3 風(fēng)力機(jī)的分類與結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式繁多，以不同的角度看，有多種的分類方法：（1） 按風(fēng)輪軸與地面的相對(duì)位置，可分為水平軸式和垂直軸（立軸）式。（2） 按葉片工作原理，可分為升力型及阻力型。（3） 按風(fēng)力機(jī)的用途分為，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力提水機(jī)，風(fēng)力脫谷機(jī)等。（4） 按風(fēng)輪葉片尖線速度和吹來風(fēng)速的比值大小，分為高速風(fēng)力機(jī)（比值>3）,低速風(fēng)力機(jī)（比值<3），而比值在25之

25、間的，也稱為中速風(fēng)力機(jī)。（5） 國(guó)際上通常按照機(jī)組的容量大小，將風(fēng)力機(jī)組分為 小型（100KW以下）、中型和大型（1000KW以上）三種。我國(guó)則分為四種，多了一個(gè)微型（1KW以下）。（6） 按風(fēng)輪相對(duì)于塔架的位置可以分為上風(fēng)式和下風(fēng)式。（7） 按風(fēng)輪的葉片數(shù)則可分為單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式。 風(fēng)力機(jī)可以把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分。主要是由風(fēng)輪和輪轂組成。 風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)的最重要的部件，它的作用是捕捉和吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。它由葉片、葉柄、輪轂及風(fēng)輪軸等構(gòu)成。輪轂是用來將葉片連接成風(fēng)輪的部件。它承受著來自葉片的各種負(fù)荷，并通過主軸傳遞到齒輪箱、發(fā)電機(jī)

26、以及機(jī)艙底座和塔架等。一般情況下輪轂采用鑄鋼或者高強(qiáng)度球墨鑄鐵鑄造而成，由于高強(qiáng)度球墨鑄鐵具有鑄造新能好、韌性好、耐沖擊、對(duì)應(yīng)力集中不敏感以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。第二章 風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換 2.1 風(fēng)能的計(jì)算假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體體積為V，則V=Sv以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量則是這時(shí)，氣流的所有動(dòng)能為上式即為風(fēng)能的表達(dá)式。從這個(gè)公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流的密度、通過的面積和速度的立方成正比。2.2 自由流場(chǎng)中的風(fēng)能假設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面積為，下游截面積為，距風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速，通過風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際風(fēng)速v和離風(fēng)輪遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速。由于風(fēng)輪的機(jī)械能量?jī)H由空氣的動(dòng)

27、能降低所致，因而必然低于，所以通過瘋了快的氣流截面積從上游至下游是增加的，即小于。假設(shè)空氣是不可壓縮的，可由連續(xù)條件得=SV作用在風(fēng)輪上的力 則風(fēng)輪的吸收功率為從上游到下游動(dòng)能的變化為令風(fēng)能的吸收功率等于動(dòng)能的變化，可得作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率為因?yàn)樯嫌物L(fēng)速已經(jīng)給定，根據(jù)公式可寫出以為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將上式微分得到令=0，則此式有兩個(gè)解：，無物理意義；對(duì)應(yīng)最大功率，把此式帶入P的表達(dá)式可以得到最大功率的表達(dá)式為將上式除以氣流通過掃略面S時(shí)的所有動(dòng)能，可推得風(fēng)力機(jī)的最大效率（理想狀態(tài)）或稱為理論風(fēng)能利用系數(shù)上式就是著名的貝茲理論的極限值。它說明風(fēng)力機(jī)從自然界中所獲取的風(fēng)能是有限的。能量的

28、轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異，因此，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)<0.593。2.3 風(fēng)力機(jī)的特性系數(shù)風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量大小的程度用風(fēng)能利用率系數(shù)表示 式中 P風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的軸功率 空氣密度 S風(fēng)輪的掃風(fēng)面積 V上游風(fēng)速上式中所有變量都用的國(guó)際制單位，分別為W，Kg/,和m/s。而為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中得狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量，這就是葉尖速比。式中 n風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速（r/s） 風(fēng)輪角頻率（rad/s） R風(fēng)輪半徑（m） v上游風(fēng)速（m/s）轉(zhuǎn)矩系數(shù) 推力系數(shù) T轉(zhuǎn)矩，單位； F推力，單位N。第3章 雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）感應(yīng)發(fā)電機(jī) 3.1

29、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了使機(jī)組轉(zhuǎn)速能夠快速的跟蹤風(fēng)速的變化就必須對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制，所以，只需要在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間連入變流器，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間解耦，就可以變速運(yùn)行了。只要令變流器的電機(jī)側(cè)電壓跟蹤風(fēng)速變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以快速地跟蹤風(fēng)速的變化了。由于變流器通過的是發(fā)電機(jī)的全部輸出功率，因此變流器的容量較大成本較高。采用雙饋發(fā)電機(jī)，需要控制的只是轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率一般不超過額定功率的三分之一，所以變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制成本大大降低，這就是為什么雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在大型電廠中得到廣泛應(yīng)用的原因。3.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 定子鐵心 定子繞組 定子 機(jī)座 端蓋 鐵心：主磁路的一部分，用于

30、嵌放 轉(zhuǎn)子線圈雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子 繞組 ：用來感生轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)，通 過轉(zhuǎn)子電流 集電環(huán)： 與電刷配合使轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電 路相連 電刷裝置：由電刷、刷握、刷架、總線組成 為了改善轉(zhuǎn)子的動(dòng)、靜平衡，常采用波繞組，三相繞組大多采用Y接法。集電環(huán)和電刷是機(jī)組運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，需要經(jīng)常維護(hù)和檢修。能否像采用永磁體磁極使同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷化一樣也使雙饋發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷化呢？這是一個(gè)令人期待的話題。3.1.2 運(yùn)行原理與特性雙饋，就是電機(jī)的釘子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運(yùn)行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。在定子上，如果電能的傳送方向?yàn)殡姍C(jī)到電網(wǎng)，則電機(jī)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電能傳送相反則在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。在轉(zhuǎn)

31、子邊，變流器的電機(jī)側(cè)電壓的控制下，電能的傳送方向也是可逆的。所以雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以用功率傳遞關(guān)系來說明。如下圖所示，P為發(fā)電機(jī)的輸出功率，s為轉(zhuǎn)差率，sP為轉(zhuǎn)差功率。由圖可以看出雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有四種運(yùn)行狀態(tài)。第象限圖（a）和（b）為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其中圖（a）為亞同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，在此狀態(tài)下，定子從電網(wǎng)輸入功率P，其中大部分（1-s）P轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率從軸上輸出，另一部分轉(zhuǎn)差功率sP通過變流器饋入電網(wǎng)；圖（b）為超同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，定子從電網(wǎng)輸入功率P，轉(zhuǎn)子通過變流器從電網(wǎng)輸入轉(zhuǎn)差功率sP，兩者之和（1+s）P都轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率從軸上輸出。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)巨大的風(fēng)扇，需要消耗電網(wǎng)的電能，風(fēng)電機(jī)組不應(yīng)在這一狀態(tài)下運(yùn)行。第象限圖（c）（d）為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，圖（c）為超同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下發(fā)電機(jī)從風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械功率=（1+s）P，自重大部分轉(zhuǎn)換成電功率P從定子饋入電網(wǎng)，另一部分轉(zhuǎn)差功率sP通過變流器饋入電網(wǎng)；圖（d）為亞同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，在這種狀況下，發(fā)電機(jī)從風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械功率=（1-s）P,轉(zhuǎn)子通過變流器從電網(wǎng)輸入電功率sP，二者之和P都轉(zhuǎn)換成電功率從定子端口饋入電網(wǎng)。3.1.3調(diào)速原理與特性雙饋發(fā)電機(jī)的釘子繞組直接與電網(wǎng)相連，