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1、吉林电子信息职业技术学院毕业设计论文 论文题目：变速恒频风力发电技术研究 学 院： 机电技术学院 专 业： 发电厂及电力系统 专业班 级： 一 班 学生姓名： 学 号： 1001100129 指导教师： 2013年 06月 摘 要风能作为一种可再生的清洁能源， 对我国国民经济的可持续发展具有重义。风力发电的快速发展己有将近20年的历史，其中基于变速恒频技术的交流励磁风力发电机的发电方案己经成为风力发电的一大重点课题。采用变速恒频技术后可大大提高风能的利用率，改善电力系统的稳定性。由于转子转速可调、具有独立的有功、无功调节能力，特别适用于风力发电、抽水蓄能电站等场合。常规能源、电力紧缺及供电环境
2、问题日益突出，利用可再生能源如风能，作为未来最重要的清洁替代能源之一，对于缓解能源匮乏具有非同寻常的意义。本文比较了几种风力发电技术的优劣，以及目前流行的几种风力发电机组的控制技术。重点阐述了变速恒频风力发电技术的基本原理，并简单介绍了基于异步电机，同步电机和双馈电机的变速恒频风力发电系统的基本结构和基本的控制方法。关键词: 风力发电 变速恒频 双馈发电机 AbstractWind power as a clean and renewable energy, sustainable development has important meaning to our country nationa
3、l economy.The rapid development of wind power generation has a history of nearly 20 years, the power generation scheme of AC excitation VSCF wind power generator based on technology has become a key issue for wind power generation. The VSCF technology can greatly improve the utilization of wind ener
4、gy, improve power system stability.As the rotor speed adjustable, independent of the active, idle adjustment ability, especially suitable for wind power, pumped storage power station. Conventional energy, electricity supply shortages and environmental issues become increasingly prominent, the use of
5、 renewable energy such as wind, as the next most important clean alternative energy, to alleviate the energy shortage has beautifully significance. This paper compares several wind power generation technology is superior, and the control technology of wind turbine of the current popular. The article
6、 expounds the basic principle of variable speed constant frequency wind power generation technology, and introduced based on asynchronous motor, basic structure of VSCF wind power generation system with Doubly-fed synchronous motor and control method.Keywords: wind power of doubly-fed induction gene
7、rator目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1风力发电研究的背景和意义及现状11.2 风力发电系统组成及原理21.2.1 风力机工作原理21.2.2 风电系统31.3 风力发电技术41.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组41.3.2 变桨距调节型风力发电机组51.3.3 主动失速调节型风力发电机组51.3.4 变速恒频风力发电机组51.4变速恒频风力发电技术61.4.1 恒速恒频风力发电技术61.4.2 变速恒频风力发电技术6第二章 变速恒频风力发电电机及其系统102.1变速恒频风力发电机组的运行原理102.2 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统122.3 永磁发电机变速恒
8、频风力发电系统132.4 交流励磁双馈型变速恒频发电系统132.5无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统142.6磁场调制型变速恒频风力发电系统15第三章 变速恒频双馈电机风力发电控制策略163.1变速恒频双馈电机风力发电控制策略163.2 双馈电机存在的主要问题163.3 双馈电机的控制策略综述173.3.1 双馈电机标量控制173.3.2 双馈电机直接转矩控制183.3.3 双馈电机转子磁场定向控制193.4变速恒频双馈电机风力发电功率控制203.5双馈电机风电场的无功功率控制技术223.6风力发电机组的并网控制技术223.7结论23结论24致谢25参考文献26lw第一章 绪论1.1风力发电研
9、究的背景和意义及现状风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从 20 世纪 90 年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。风力发电是解决边远农村供电的重要途径。目前我国正在进行西部大开发。由于西部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，靠大电网去解决那里的用电问题是不够的，必须同时开发像风力发电这样的分散供电系统，才能较好地满足
10、当地人民生产生活对电力的需求。风电的优点包括：(1)利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；(2)运行成本低，风电机组的设计寿命约为 2025 年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的 3%5%；(3)建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。进入 21 世纪，全球可再生能源也在不断发展，而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年 32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达5000 万 MW。由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快，预计 1
11、5 年之后欧洲人口的一半将会使用风电。欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。在欧洲，德国的风电发展处于领先地位。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出到 2025 年风电要实现占电力总用量的 25%，到 2050 年实现占总用量的 50%的目标。其中丹麦风能产业年营业额在 30 亿欧元左右，并网发电机组达 312 万千瓦，风能发电量占全国电力总量的 22%，居全球首位；而在该国的西北部地区，这个比例甚至已经达到 100%。我国幅员辽阔，陆疆总长达 2 万多公里，还有 18000 多公里的海岸线，边缘海中有岛屿 5000 多个，风能资源丰富。可按风速频率曲线和机组功率
12、曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于 6 米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区。中国陆地 10 米高度层实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦，考虑到近海风能，总储量应该不止 2.53 亿千瓦。风电项目通常要求年利用小时数高过 2000小时，目前中国已经建成的风电场平均利用小时约 2300 小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。中国风电真正开始有较大规模的发展是从1996 年、1997 年开始的。1
13、.2 风力发电系统组成及原理风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。1.2.1 风力机工作原理(1)风力发电机风力发电机可以分为两种类型，一种是主要靠和风向方向一致的空气动力产生的力矩来驱动；另外一种是主要靠和风向方向垂直的空气动力产生的力矩来驱动。前者的功率系数很小，能量变换效率低下，所以逐渐被淘汰。后者又可包括水平轴的风力机和垂直轴的风力机，垂直轴的风力机
14、主要缺点是转矩脉动大，在遇到强风时不易调速，在 80 年代后期各国己经停止了对这种风车的研制和开发，现在的风力机主要是水平轴螺旋桨推进器型的。水平轴风力机主要风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为 23 个叶片)装在轮毅上所组成，风轮采用定桨距或变桨距两种，以定桨距居多。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电
15、机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速，在风速较大，达到风车的额定功率时，调节桨距可进行失速调节来限制负荷的大小，以限制负荷的大小保护风车。发电装置主要由塔楼和安装在塔顶的引擎舱组成。水平轴的风力机通常根据风力机不同的使用目的使用不同数目的叶片。风力发电主要使用 2 到 3 个桨叶的风力机，20 个或更多桨叶的风力机主要用于水泵等机械装置的驱动。桨叶数目少的风车启动力矩小，叶片端速比大，因此可工作的风速范围较大，主要应用在风力发电中。风车中还包括许多控制装置功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。(2)风力机的功率由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风力机的实际功率应为风轮所接受风的动能与通过
