1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 直驱式永磁风力发电控制系统设计 一、概述 地球表面各处接受太阳照射受热不同而产生温差引起大气对流运动形成风。地球上风能蕴藏量巨大。而且取之不尽。用之不竭，是一种重要的可再生能源。据世界气象组织于 1954年估计，地球上可为人们利用的风能有 107 MW这相当于 10 000个 100万 kW的利用燃料发电的发电厂的容量是地球上可供利用的水力的 100倍。这是一个非常可观的数量 1。 人类利用风能的历史已经有数千年然而利用风能发电的历史却始于 1891年但之后 的较长时间发展缓慢。直到 1973年石油危机后，风力发电作为新能源越来越受到重视。特别是 20
2、世纪 90年代以来风力发电加速发展 1 风力发电是新能源发电中技术成熟、最具规模化的发电技术之一。风力发电具有利用可再生能源、无污染、运行成本低、建设周期短、不占用耕地、单台发电设备投资小、建设有灵活性等许多优点，是最具有发展潜力的能源产业。 2 本文主要在已有的各类发电机的基础上设计一个全新的旋翼式立轴风光发电装置 二、 已有文献综述及评价 风力发电机组是将风能转化为电能的机械其最主要的部件是风轮常 见风力发电机的风轮为水平轴三叶片，分为定转速与变转速、定桨距与变桨距等几种类型在理论上，最好的风轮只能将约 60的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可以达到 40在风电机组输出达到额定功率
3、之前，其功率与风速的立方成正比。可见风电的效率与当地的风速关系极大 3 风力发电在新能源和可再生能源行业中增长速度最快，据相关数据统计。在过去 10年中全球风电产业年平均增长率达到了惊人的 28，而美国、意大利和德国的年增长率更是高达 50以上 1截至 2008年底全球累计风电装机容量已达到 1 2亿 kW 3 针对风电设备制造业的政策主要有： (1) 财政补贴政策 (2) 研发资助政策 (3) 认证制度 (4) 强制购买政策 (5) 政府目标规划 (6) 国产化生产政策 在过去 30多年。全球风电技术得到了快速发展，大型风电机组研制技术日趋成熟。根据近 5年美国风电设备相关专利的国际 IPC
4、分类统计可知：特殊用途的风力发动机、风力发动机与受它驱动的装置的组合、作用于非电原动机并取决于发电机的电输出值的控制、具有基本上与风向一致的旋转轴线的风力发动机、用于取得所需输出值的发电机的控制装置、自动控制和安装结构等为风电技术发展的主要领域风电机组研 制主要向以下几方面发展。 (1)大功率风电机组技术 (2)水平轴风电机组技术 (3)直驱式、全功率变流技术 (4)“智能变桨”技术 (5)“中速双馈”机组技术 (6)深海漂浮式风电机组技术 (7)风一光互补发电系统的开发 4 自风电投入应用以来，经过几十年研究与发展，逐渐形成水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一结构。近年来，风力发电技术在电机
5、、电力电子、现代控制、计算机等相关技术的推动下快速发展。当今，风能开发应用及其发展主要表现在 1：普通三相同步发电系统 在早期的恒速恒频风力发电系统中采用 了普通三相同步发电机，风力机与发电机之间通过齿轮箱连接，风力机采用定桨距控制技术，发电机通过断路器直接与电网连接，这就是所谓的“刚性连接”。同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，频率稳定，电能质量高，已被电力系统广泛采用然而，由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度，因此把它用于到风力发电机组上使用效果并不太理想。该系统需要调速机构和励磁机构对同步发电机的
6、频率、电压和功率进行有效的控制，否则可能会造成无功振荡与失步，重载下 尤为严重。 近年来随着电力电子技术的发展，在同步发电机与电网之间采用变频装置，从技术上解决了“刚性连接”的问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。普通三相同步发电机型风力发电系统结构示意图如图 1-1所示。为了捕获最大风能，风力机的功率控制采用变桨距调节方式。发电机定子侧通过功率变换器与电网实现“柔性连接”，转子侧通过励磁控制器调节发电机的励磁电流以控制发电机定子侧的输出电压幅值，构成全功率变换器的变速恒频同步风力发电系统。 5 2：双馈风力发电系统 双馈式发电机是变速运行风电系统的一种，其模型如 图 1-2所示，包括
7、风力机、齿轮箱、感应发电机、 PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输。当发电机运行在超同步速度时，发电机定子和转子同时向电网输送能量；而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。当风速增大到额定值以上时 ，叶片与轮毂间的轴承机构转动使叶片桨距角增大，攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭矩和
8、限制风机捕获的功率。 6 双馈式风力发电系统是目前世界各国风力发电的研究热点之一，我国已有部分地区的风力发电场开始使用这种发电系统 1。相对于传统的恒速发电系统 7，其性能优势体现在：（ 1）降低输出功率的波动和机组的机械应力；（ 2）不需要无功补偿装置；（ 3）可以追踪最大风能，提高风能利用率；（ 4）控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性；（ 5）在转子侧控制功 率因数，可提高电能质量；（ 6）变频器容量仅占发电机额定容量的 25%左右，与其它全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。因此，目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制的双馈式风力机
9、，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵。 7 3：笼型转子使用异步发电机 单机容量不断上升，从数 I kW发展到 MW级机组；变浆距功率渊节取代定浆距功率凋节；变速恒频取代恒速恒频；无齿轮直驱方式逐步增多，同步发电逐步替代异步发电；风力发电从陆地向海面拓展；新方案、新技术不断应用于风电系统的功 率凋节。 目前，已经应用的风电系统如图 1所示，表 l列出这些风电系统的功率控制思想。 对于直驱式风力发电系统，由于风力机与多级永磁同步电机直接相连，机械传动效率及系统可靠性高，其变流机组为电机侧被动整流、网侧主动整流及电机侧和网侧均为主动整流的两种拓扑结构，随着技术进步及电力电子器件成本的降
10、低，双主动整流凭借其优越的动态性能将得到广泛应用。 7 中国的风能资源储量居世界首位，仅路上可开发的装机容量就达 2.5亿 KW，且商业化、规模化的潜力很大。自 20世纪 80年代以来，我国开始利用风能发电， 20多年 的发展使我国风力发电产业显现勃勃生机。 8 但是尽管我国风力发电已历 20年漫长的“试验器”，而风力发电的产业化举步维艰，无论从市场占有率、在能源结构中的比重、发电设备制造水平等发面看，都表现出严重不足。大大小小的风电场遍布全国，几乎各省都有，却并不由于“发电”而受人关注，有的风电场甚至成为形象工程和观光景点，给地方带来的旅游效益超过了发电收益。与先于我国开发风能的丹麦德国等发
11、达国家，甚至于后于我们开发风能的发展中国家印度相比，我国风电产业的发展都显得滞后。 而在近年美国一名工程师开发出了一种新型 的多转子风力涡轮设备，具有体积小，成本低的优点。美国工程师设计的这种被称为“天空中的蛇”的风轮使用的是连接在同一个轴心上各种大小的转子，通过不同角度，每个转子都可以各自捕捉到风。 此外，每台多转子风力涡轮机都连接在相同的发电机上，产生的能量相当于常规巨轮风轮产生的能量，而需要的材料仅原来的 1/10、这种多转子风力涡轮设备的市场前景广阔，既可用于家庭，也可用于商业发电。 9 已具备产业化条件的我国风力发电产业迟迟不能取得突破，一方面是由于市场的限制。另一方面，发电设备国产
12、化水平低也是风电产业化 阻碍的因素之一。 总之，我国的风电产业正遭遇“成本高 -电价低 -市场小 -投资少 -相关产业滞后 -科研投入不足 -成本难以下降”的恶性循环的瓶颈。 10 尽管风电的发展面临着重重困难，但是随着社会和科技的发展，以及考虑到 我国的具体国情，大力发展风电将是我国能源结构的必然发展方向，我国风电将 具有一个美好的发展前景。 不可再生能源如煤，石油，天然气的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时也严重威胁着人类的生存环境，可再生能源的开发利用也就越来越显得重要。随着可再生能源的开发利用，风能和 太阳能已经逐步走入了人类的生活，在日后的能源比例中将会发占据越来越重的比例
13、。 11 在电能作为能量主要消耗形式的当今社会，风能和太阳能是绿色可再生能源，取之不尽，用之不竭。考虑风能和太阳能在多方面的互补特性，相对单一的风能、太阳能发电，风光互补发电系统将会是更经济合理，稳定，持续的发电模式。 13 太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性：白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合
14、理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。 15 风力发电装置的叶片根据长度不同，选用不同的复合材料。目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂，并局部采用玻纤或碳纤增强环氧树脂作为主承力结构。从性能来讲，碳纤维增强环氧树脂最好，玻璃纤维增强环氧树脂次之。随着叶片长度的增加，要 求提高使用材料的性能，以减轻叶片的质量。 19 三、 本课题研究内容和设计思路 在风力发电系统中，将风能转换为电能的最重要的部分便是风力发电机，它已经成为风力发电技术领域的研究热点之一。本课题便是在这样一个背景下，为了更好地、更有效率地、更安全地利用风能，使
15、之转化为人类可以利用的电能，设计了一种区别于传统风力发电系统的新型直驱式永磁风力发电控制系统 本文的主要内容有国内外风力发电发展现状及展望；风能开发应用及其发展主要表现系统：普通三相同步发电系统、双馈风力发电系统、直驱式风力发电系统；风光互补系统以及 风力发电装置的叶片选择 本文完成的意义在于目前全球的能源日益紧张，加之空气污染日趋严重，开发和利用绿色能源已成为全球的能源发展趋势。为响应国家号召，节约能源，减少污染，开发和利用太阳能与风能势在必行，研究与之相应的产品显得十分必要。 四、结论 自然界中，再生能源有很多，风能、太阳能、波浪能、潮汐能等等，它们都是无污染、无需任何燃料的、全天候、全自
16、动、干净、环保、取之不尽、用之不竭的能源。其中风力发电和太阳能发电技术已经相当成功，应用也很普遍。 同时选用这 2种能源，是因为太阳能与风能在时间上和地域上有很 强的互补性，白天太阳光最强，风很小，晚上太阳落下后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风力加强。在夏季，太阳光强度大，而风力小；在冬季，太阳光强度弱而风力大，太阳能与风能在时间上的互补性，使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。这样能在一定程度上满足日常工作、生活的需要。 参考文献 【 1】孙浩然 .风力发电技术综述 .江苏电机工程 29卷第四期 .2010.7 【 2】李锡鹏 .发展风电产业大有可为 .中共云南省大理白族自治州委党
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