（电机与电器专业论文）基于异步电机发电的非并网小型风电系统研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g j i l lll ii i i ii 11 i i y 181115 1 r e s e a r c ho nn o n - - g r i ds m a l lw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m b a s e do n a s y n c h r o n o u s at h e s i si n e l e c t r i ce n g i n e e r i n g b y w uq i a n g a d v i s e db y p r o f h u a n gw e n x i n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 - ， 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 区 i 南京航空航天大学硕上学位论文 摘要 风电事业在全球范围内方兴未艾，目前国际上的研究热点主要是大型并网风力发电系统。 与大型并网风电系统相比，独立运行小型风电系统更加适合应用于分布式发电等场合，研究可 靠性更高、价格更廉的小型风力发电系统，对于增强市场竞争能力、加速风力发电的普及和应 用，具有重要意义。 笼型异步电机结构简单、耐用、成本低、体积小、控制灵活、便于维护，在发生短路故障 时可以灭磁保护，容易满足风电系统高可靠、免维护的性能要求。异步电机作为一种成熟的电 机，与新兴的电力电子装置共同构成的高性能发电系统，在电机本体结构设计、电路拓扑、控 制策略方面值得深入研究。但国内外关于风力异步发电机设计的文献还十分匮乏，一般均参照 电动机程序设计，按电动机程序设计的异步发电机的运行t 作点不佳；在传统控制策略之下， 异步发电机存在低风速段能量转换效率低的不足。 本课题对风力异步发电机的设计方法和控制策略做了针对性的研究。结合分布式发电系统 对发电机的特殊要求，在比较电动和发电两种j 二作状态异同点的基础上，提出了专门的低压小 功率风力直驱笼型异步发电机电磁设计方法；为提升异步发电机在低风速段的能量转换效率， 研究了一种效率优化控制方法：首先建立了考虑铁损耗的异步发电机的数学模型，在此基础上 完成了风力异步发电系统的仿真建模；研究总结了国内外关于异步电动机效率最优控制的成果， 在最人风能追踪控制的基础上，提出了风力异步发电机的效率最优控制策略。 在以f r e e s c a l e 的d s p 5 6 f 8 0 3 7 为核心的控制平台上做了深入的实验研究，文中对整个系统 架构以及软硬件的实现都做了详细的介绍。最终的实验结果表明，本文提出的基于转差调1 了的 风力异步发电机最优磁通控制策略，可以明显提高电机的能量转换效率，特别是提高在中、低 风速段的能量转换效率。 关键词：风力异步发电机，非并网小型风力发电系统，d s p ，铁损耗，效率最优控制，最大风 能追踪，最优磁通，电磁设计 基十异步电机发电的非并网小型风电系统研究 a b s t r a c t w l n dp o w e ri n d u s t r yi si nt h ea s c e n d a n ta l lo v e rt h ew o r l d ，i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o c u si sm a i n l y l a r g e s c a l e 酾dw i n dp o w e rs y s t e mn o w r e l a t i v e l y , t h es m a l lw i n dp o w e rg e n e r a t o rs y s t e mi sm o r e s u i t a b l ef o rd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n t h er e s e a r c ho fs m a l lw i n dp o w e rg e n e r a t o rs y s t e mw h i c hk n o w s f o ri t sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n dl o w e rc o s th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ew h i c hh a sn o to n l ye n h a n c e dt h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s so fi tb u ta l s oa c c e l e r a t et h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h es m a l lw i n dp o w e r g e n e r a t i n gs y s t e m c a g ei n d u c t i o nm o t o r s t r u c t u r ei ss i m p l e ，d u r a b l e ，l o w c o s t ，s m a l l s i z e ，e a s yt om a i n t a i n ，a n dc a n b ed e e x c i t a t i o np r o t e c t i o ni ns h o r tc i r c u i tf a u l t b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，i ti se a s yf o rw i n dp o w e r s y s t e m st om e e tt h eh i g hr e l i a b i l i t y , m a i n t e n a n c e f r e ep e r f o r m a n c eo fs m a l lw i n dp o w e rg e n e r a t i n g s y s t e m h o w e v e r , l i t e r a t u r e se s p e c i a l l yo nt h ed e s i g no fa na s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rc a nh a r d l yb e f o u n da th o m ea n da b r o a d ，a n di t sd e s i g ni sg e n e r a l l yi na c c o r d a n c ew i t hm o t o rp r o g r a m m i n g w i n d i n d u c t i o ng e n e r a t o r sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea s y n c h r o n o u sm o t o rp r o g r a m m i n gc a n tw o r kw e l l i t s e f f i c i e n c yi sv e r yl o w w h e ni nl o w - s p e e ds t a t e ，t o o t h et o p i ch a sd o n et a r g e t e dr e s e a r c ho nn o n g r i ds m a l lw i n di n d u c t i o ng e n e r a t o rs y s t e m i no r d e r t or i s et h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o ng e n e r a t o rc o n s i d e r e d t h ei r o n - l o s sh a sb e e nm a d e ，a n db a s e do nt h i sm o d e l ，t h es i m u l a t i o no ft h en o n 一鲥ds m a l lw i n d g e n e r a t o rs y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ；a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ha n ds u m m a r i z e so nr e s u l t so fo p t i m a l e f f i c i e n c yc o n t r o li ni n d u c t i o nm o t o r b a s e d o nt h el a r g e s tw i n de n e r g yt r a c k i n gc o n t r o l ，am e t h o do f t h eo p t i m a le f f i c i e n c yc o n t r o lf o rw i n di n d u c t i o ng e n e r a t o ri sp r o p o s e da n das p e c i a lm e t h o dt od e s i g n l o w - v o l t a g el o w - p o w e rd i r e c t - - d r i v ec a g ea s y n c h r o n o u sw i n dp o w e rg e n e r a t i o nm a c h i n ei sp u t f o r w a r d 、 l o t so fi n d e p t he x p e r i m e n t sw e r ed o n eo nt h ec o n t r o lp l a t f o r mw h i c hb a s e do nf r e e s c a l e s 5 6 f 8 0 3 7 d s p t h e r ei sad e t a i li n t r o d u c eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g ni nt h i st h e s i s t h ef i n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dr e g u l a t i o no f o p t i m a le f f i c i e n c yc o n t r o lb a s e do ns l i pf r e q u e n c yc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eo u t p u to f t h es y s t e m ， e s p e c i a l l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yi nl o w - s p e e ds t a t e k e y w o r d s ：w i n dp o w e ri n d u c t i o ng e n e r a t o r , n o n g r i ds m a l lw i n di n d u c t i o ng e n e r a t o rs y s t e m d s p , i r o n l o s s ，o p t i m a le f f i c i e n c yc o n t r o l ，t h el a r g e s tw i n de n e r g yt r a c k i n g ，o p t i m a lf l u x ， e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n ， 南京航窄航天人学硕士学位论文 目录 第一章绪论一1 1 1 能源危机与风力发电综述1 1 1 1 能源危机及我国发展风力发电的必要性1 1 1 2 风力发电技术综述2 1 2 非并网小型风力发电系统总体结构2 1 2 1 风力机3 1 2 2 风轮3 1 2 3 限速装置一3 1 2 4 调向装置4 1 2 5 塔架4 1 2 6 发电机4 1 2 7 蓄能装置5 1 2 8 电力电子接口一5 1 3 非并网小型风力异步发电系统6 1 3 1 风力异步发电机本体没计的需求一7 1 3 2 风力异步发电机的效率优化控制策略一7 1 4 本文的主要内容9 第二章非并网小型风力异步发电系统的仿真建模1 1 2 1 系统部件建模l l 2 1 1 风力机的数学模型1 1 2 1 2 异步发电机的数学模犁1 4 2 2 控制策略17 2 3 仿真条件与仿真结果1 8 2 4 本章小结1 8 第三章风力异步发电机的效率最优控制2 0 3 1 最大风能追踪控制2 0 3 2 异步电动机的效率优化控制策略2 2 3 2 1 异步电机的损耗分析2 2 3 2 2 基于铜损等于铁损的效率最优控制2 4 基于异步电机发电的非并嘲小型风电系统研究 3 2 3 基于转著率的效率最优控制2 5 3 2 4 基丁模型的最优励磁控制2 5 3 3 异步发电机的效率最优控制2 6 3 3 1 异步发电机的电压泵升原理2 6 3 3 2 异步发电机效率最优控制策略2 7 3 3 3 最优磁通计算与仿真建模2 8 3 4 仿真结果3 2 3 5 本章小结3 3 第四章风力异步发电机的设计3 5 4 1 风力直驱笼型发电机性能指标的提出3 5 4 1 1 用电设备所要求的发电机的基本性能指标3 5 4 1 2 风力直驱发电系统对发电机提山的技术要求3 6 4 2 风力直驱异步发电机的设计3 6 4 2 1 电动、发电两种t 作状态的比较3 6 4 2 2 电机额定参数的确定3 8 4 2 3 电机主要尺寸的确定3 9 4 2 4 磁路计算及其它4 0 4 3 设计结果4 l 4 4 改造设计风力异步发电机4 2 4 4 1 风力异步发电机的简易改造设计4 2 4 4 2 实验用风力异步发电机4 3 4 5 本章小结4 4 第五章风力异步发电系统的软硬件实现4 5 5 1 硬什电路总体构架4 5 5 2 系统硬件电路设计4 5 5 2 1 控制芯片4 5 5 2 2 主功率电路4 6 5 2 3 主电路驱动及保护电路4 7 5 2 4 采样调理电路5 0 5 2 5 联机通信51 5 2 6 辅助电源5 1 5 3 系统的软件实现5 2 南京航窄航天大学硕上学位论文 5 3 1 程序的整体结构5 2 5 3 2 基于飞思 尔5 6 f 8 0 3 7 d s p 的软件实现5 3 5 3 3 系统标幺化5 8 5 4 本章小结5 9 第人章实验与分析6 0 6 1 实验条件6 0 6 2 系统软硬件实验6 0 6 2 1 蓄电池操作6 0 6 2 2 励磁方向调整6 0 6 3 实验结果及分析6 1 6 3 1 建压实验6 l 6 3 2 风速变化实验6 2 6 3 3 加载、卸载实验6 3 6 3 4 效率优化实验6 4 6 4 本章小结6 5 第七章总结与展望6 6 7 1 本文的主要研究工作总结6 6 7 2 进一步工作的展望6 6 参考文献6 8 致 射一7 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文一7 8 基十异步电机发电的非并嘲小型风电系统研究 图清单 图1 1 基站风光互补系统辅助电网供电结构框图一3 图2 1基站风光互补系统风电部分结构框图1 1 图2 2 风能利用系数与2 和口的关系曲线1 2 图2 3 输出功率与转速的关系曲线1 3 ， 图2 4 变桨距、定桨距风电机组功率曲线图1 3 图2 5 风力机模型封装图1 4 一 图2 6 异步电机的t 型等效电路图1 4 图2 7 异步发电机的m 函数模型1 5 图2 8s i m u l i n k 与p s b 的接口模块1 5 图2 9 非并网小型风力异步发电机系统仿真模型1 6 图2 1 0 基于转差调节的恒磁通控制原理框图1 7 图2 1 1 系统仿真波形1 8 图3 1 异步发电机功率流动图2 1 图3 2 不同负荷时异步电机的损耗图2 4 图3 3 基于转差率的效率最优控制原理框图2 5 图3 4 基于模型的最优励磁控制原理框图：2 6 图3 5 异步发电系统不同电压矢量作用时的等效电路2 7 图3 6 基于转差调节的风力异步发电系统最优励磁控制原理框图2 8 图3 7 考虑铁损时异步电机在同步旋转坐标系下的等效电路2 8 j 图3 8 考虑铁损耗的异步发电机m 函数模型2 9 图3 9 风速变化时恒磁通控制最大风能追踪仿真3 2 舢 图3 1 0 效率最优控制时最大风能追踪仿真3 3 图3 1 l 两种控制下系统最大输出功率曲线3 3 图3 1 2 不同风速下的最优磁通曲线3 3 图4 11 f 并网小犁风力异步发电系统结构框图3 5 图4 2 异步电机的向量图3 7 图4 3 异步电机的t 型等效电路3 7 图4 4 转速随风速变化时发电机的电动势、功率曲线4 1 图4 5 风力异步发电机的定转子槽型4 3 南京航窄航天人学硕上学位论文 图5 1 模拟拖动平台硬件电路结构框图4 5 图5 28 0 3 7 土控芯片功能模块图4 6 图5 3 主电路一个桥臂的拓扑图4 7 图5 4 驱动电路局部拓扑4 8 图5 5 过流保护及驱动电路原理拓扑4 8 图5 6p w m 信号及保护锁定4 9 图5 7 母线电压采样原理电路5 0 图5 8 电流采样原理电路5 1 图5 9 联机通信原理电路5 l 图5 1 0 + 5 v 和+ 3 3 v 电压输出原理电路一5 2 图5 1 1 + 2 8 v 转+ 1 5 v 电压输出原理电路5 2 图5 1 2 异步电机发电程序流程图5 3 图5 1 3 初始化程序框图5 4 图5 1 4 模拟p i d 控制系统原理框图5 4 图5 1 5 遇限削弱积分法原理图5 6 图5 1 6 积分分离法原理图5 6 图5 1 7 空间电压矢量分区及合成5 7 图5 1 8 电压空间欠量调制算法框图5 8 图6 1 蓄电池实物接线图6 0 图6 2 三相异步电机转矩一转若率曲线6 1 图6 3开环寻发电频率实验直流母线电压波形6 2 图6 4 建压过程实验波形6 2 图6 5 风速降低较小时的实验波形6 3 图6 6 风速降低并稳定后的实验波形6 3 图6 7 风速增大较多时的实验波形6 3 图6 8 风速增大并稳定后的实验波形6 3 图6 9 突加、突卸2 0 0 w 负载实验波形6 4 基于异步电机发电的非并网小型风电系统研究 表清单 表4 1 风力发电机的效率指标3 6 表4 2 电机的主要设计参数4 1 表4 3 改装成的风力异步发电机的主要参数4 2 表4 4 实验用的风力异步发电机的主要参数4 3 表6 1 效率优化实验数据“ 南京航空航天人学硕士学位论文 一、基本符号和意义t 基本符号 p 刀 丁 国 3 口 “ l y 妒 么 p v p 万 意义 功率 转速 转矩或时间 旋转角速度 转动惯量 角度 电压 电流 单位向量 磁链 面积 密度 速度或电压欠鼙 误差 气隙长度 二、下标符号和意义： 下标符号意义 额定值 e电势 s 定子 ， 转子 盯 漏磁 m 互 a a 相 b b 相 c c 相 e 电磁 w i n d 风 g 给定 r e f参考 j r 积分 m a x 最大值 i 第f 项 注释表 基本符号 七 p 矿 s t 尺 d t 6 允 7 7 b 下标符号 d c d g 七 f e c ” m o 丁 z 刀 d “f 万 p s m l n l 意义 系数 极对数或微分算子 电压矢量 转差率 变化量 时间 频率 电阻或j 径 二极管 开关管 桨距角 叶尖速比 效率 磁通密度 意义 直流 两相坐标轴中的d 轴 两相坐标轴中的g 轴 系数 铁 铜 机械 杂散 风力机 输入 输出 气隙 比例 转差 最小值 第，项 ， 基于异步电机发电的非并网小型风电系统研究 三、下标符号和意义： 缩略词 英文名称 m p p tm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g s v p w m s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n r p m r o u n dp e rm i n u t e d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i p m i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e x l g b t m o s f e t l m c s c 中文名称 最大功率点追踪 空间矢量脉宽调制 转吩 数字信号处理器 智能功率模块 i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r绝缘栅舣极型功率管 m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c t 金属氧化物半导体场 t r a n s i s t o r 效应晶体管 l o s sm o d e lc o n t r o l l e r s e a r c hc o n t r o l l e r 损耗模型控制器 搜索控制器 南京航空航天人学硕l 学位论文 第一章绪论 1 1 能源危机与风力发电综述 1 1 1 能源危机及我国发展风力发电的必要性 2 0 世纪5 0 年代以来，由于石油危机的爆发，世界经济受到巨大影响，国际舆论开始关注 起世界“能源危机”问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。 如果不做出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的 严重问题。 t 日= 界能源危机是人为造成的能源短缺。石油资源将会在一代人的时间内枯竭，它的蕴藏量 不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越米越大，到一定限度就 会失去继续开采的价值。在世界能源消费以年i 油为主导的条件下，如果能源消费结构不做出改 变，就会发生能源危机。煤炭资源虽比石油多，但也不是取之不尽的。代替石油的其他能源资 源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。因此，人类必须认识到非再生矿物能源资源枯 竭可能带来的危机，从而将注意力转移到新的能源结构上，尽早探索、研究和开发利用新能源 资源。 能源是国民经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。随着经济发展提速，人 民生活水平提高，我国能源发展面临的问题日益突出，概括起来有四个方面【l 】： ( 1 ) 资源短缺。能源资源总量少，优质资源尤其短缺。 ( 2 ) 效率低下。能源利用技术落，i 亓，能源利用效率低。 ( 3 ) 环境污染。在不远的将来，排放总量上中国将超过美国，成为世界第一大温室气体排 放国。 ( 4 ) 能源结构不合理。中国能源以煤为主，这远远偏离当前世界能源消耗以油气等优质能 源为主的基本趋势和特征。 克服能源危机的出路就是大力发展可再生能源。用可再生能源和原料全面取代生化资源， 进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因，与之相连的是世界经济可获得持续的发展。 风能是空气在太阳辐射下流动所形成的，利用风能与其他能源相比有突出的优点：蕴藏量 大，风能是太阳能的一种转换形式，是典型的取之不尽的可再生能源；无污染，在风能转化为 其他形式的能源的过程中不会对环境产生任何有害气体和废料：分布广泛，就地取材，特别是 用于生活在高原、岛屿、草原等运输能源不方便的地区使用；适应性强，发展潜力人。风力发 电在1 9 世纪末就开始登上历史的舞台，在一百多年的发展中，由于它的上述诸多优点以及造价 相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选【2 卅。 基十异步电机发电的非并网小型风电系统研究 我国可利用风能资源区域超过国土面积的7 6 ，发展风电尤其具有必要性，主要体现在以 下几个方面： 满足能源供应的需求； 促进地区经济特别是西部地区的发展； 改善中国以煤炭为土的能源结构； 促进风机设备制造业的自主开发能力和参与国际市场的竞争能力； 减少温室气体排放，控制环境污染； j r 在解决偏远地区用电、脱贫致富方面发挥重大作用。 1 1 2 风力发电技术综述 风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、力学、材料学 等多学科的综合性高技术系统t 程。研究新型高效的风力发电机，配以新型的高效率的电能变 换回路拓扑结构、最大功率点跟踪( m p p t ) 控制策略及先进的控制理论是提高风力发电系统 的能量转换效率的重要途径。 在风力发电系统中，发电机是将叶片接收的风能最终变成电能的设备。随着空气动力学、 控制理论、材料科学，特别是电力电子和计算机技术的迅速发展，风力发电技术发生了巨大变 化，产生了许多新型发电机，从运行方式来看，主要有独立运行风电系统和并网运行风电系统 两种【5 , 6 3 ： 并网运行的风力发电机类型主要有鼠笼式异步发电机、双馈异步发电机、低速同步发电机。， 近几年，研究发展了儿种新型风力发电机，包括定子双绕组异步发电机、高电压同步发电机和 开关磁阻发电机等，这些发电机改善了传统发电机的不足，显著提高了风电系统的可靠性和效 率，也使缛风力发电机朝着大容量、变桨距、变转速、无齿轮和无刷化方向发展。 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的 持续供给。主要目的是通过控制励磁、转速和功率变换器来产生恒压的直流电和恒压恒频的交 伽 流电。目前主要类型有永磁式直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流白励交流发电机和电容 自励异步发电机等。特别是随着电力电子技术和控制理论的进步，采用电力电子变换器代替传 统电容器提供励磁，突破了电容器励磁调节困难的瓶颁，使笼型异步发电机在风力发电系统中 更具有竞争力。 1 2 非并网小型风力发电系统总体结构 风力发电机组是将风能转化为电能的机械。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部 分组成：其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械 能转换为电能【7 】。 2 i 南京航空航天人学硕士学位论文 以3 g 通信基站为例，系统功率多在数千瓦，采用风光互补结构，目前均采用组合式机架 电源系统，配带在线浮充供电制的铅酸蓄电池组组成直流不问断供电系统，辅助电网供电。系 统的组成见图1 1 ，主要设备为一个太阳能光电池阵列、一台风力发电机和与之匹配的蓄电池组， 另外还有配套的控制器，整个系统辅助电网向基站供电。该供电方案可以明显提高供电系统的 可靠性。 小型风力发电系统一般由风力机、发电机和电气控制部分构成。常规的小型风力发电机组 多由感应发电机或永磁同步发电机加a c d c 变换器、蓄电池、逆变器组成。直驱时，风力发 电机组直接由风力机带动发电机运转，发电机发出的交流电经a c d c 变换后直接给蓄电池充 电或向负载供电。蓄电池通过逆变器将直流电转换为交流电供给交流负载。 1 2 1 风力机 图1 1 基站风光互补系统辅助电网供电结构框图 风力机是将风能转化为机械能的装置，主要由风轮、限速装置、调向装置和塔架等几部分 组成【7 】o 1 2 2 风轮 风轮是风力机最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流 作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，驱动发电机转变成电能。由于风力 机将风能转变为机械能的土要部件是受风力作用而旋转的风轮，冈此，风力机依风轮的结构及 其在气流中的位置人体上可分为两大类：其中一类为水平轴风力机，另一类为垂直轴风力机。 目前用于风力发电的风力机中，水平轴风力机占绝大多数。 1 2 3 限速装置 在很多情况下要求风力机不论风速如何变化，转速都不得超过某一限定值，为此目的而采 用了调速或限速装置。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。 3 基于异步电机发电的非并网小型风电系统研究 限速装置有各种各样的类型，但小型风力机主要使用的是偏离风向超速保护。对小型风力 机，为了简化结构，其叶片一般固定在轮毂上。在超过设计风速的强风时，为了避免风轮超速 甚至叶片被吹毁，常采用使风轮水平或垂直旋转的办法，以便偏离风向，达剑超速保护的目的。 1 2 4 调向装置 自然界的风，不论是速度还是方向都经常发生变化。对丁水平轴风力机，为了得到最高的 风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向。下风向风力机的风轮能自然地对准风向，因 此一般不需要进行调向控制( 对大型的下风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也采用对风 控制系统) 。上风向风力机则必须采用调向装置，小型风力发电机常用的是尾舵调向，它的优点 是能自然地对准风向，不需要特殊控制。 1 2 5 塔架 为了让风轮在地面上较高的风速中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。风力机的塔架除了 要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的 刚度和风力机的振动有密切关系。 1 2 6 发电机 发电机及其控制系统承担了风力发电系统中由机械能到电能转换的任务。它不仅直接影响 这个转换过程的性能、效率和供电质鼍，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、控制及供电性能良好的发 电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。 风力发电机组中的发电机可以分为直流发电机和交流发电机。其中交流发电机主要分为同 步发电机、异步发电机( 或称为感应发电机) 和永磁式发电机二种机型。较早时期的小容量风 力发电装置一般采用小型直流发电机，在结构上有永磁式及电磁式两种类型。目前风力发电所 采用的发电机主要有两种；同步发电机和异步发电机。对丁分布式发电系统中的小容量发电系 统，大多采用永磁式或自励式交流发电机1 7 , 8 1 。 ( 1 ) 同步发电机 风力发电中所用的同步发电机绝大部分是二相同步电机，其输出一般为整流输出。冈为二 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 率很小的少数情况下才考虑采用单相发电机。同步发电机优点是可以通过调节发电机的励磁进 行调压，但由于该种电机结构复杂，现在已经较少采用t 9 a o l 。 ( 2 ) 交流永磁同步发电机 永磁式发电机是利用永久磁铁取代励磁磁场，结构上没有励磁系统的同步发电机。永磁同 4 南京航空航天大学硕卜学位论文 步发电机不需要励磁装置，和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷；与异步电机相比，它 不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、定转 子气隙大、控制性能好；由于它省掉了一般同步发电机的电刷、滑环和励磁绕组，不仅使结构 进一步简化，效率也有提高，从而一肖约了成本。 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调一侮、控制其磁场极为 困难，故障时不能灭磁保护。而且永磁材料价格相对昂贵，在短路、高温和强烈振动等环境易 发生失磁，在超风速等异常条件下，永磁磁极容易受剑较人的影响i n , 1 2 ，在轻载运行条件下， 永磁发电机由于励磁不可调，效率不可以人为的改变。这些缺陷使永磁发电机的应用范围受到 了限制。 ( 3 ) 异步发电机 早期的风力发电机大多采用附带增速装置的异步发电机。异步发电机结构简单，发出的- t 频交流电可直接使用或经变压器输入电网，多数情况下，风力异步发电机儿乎定速旋转。异步 发电机有鼠笼型和绕线型两种，恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发 电机。在并网运行时，异步发电机一方面向电网输出有功功率，另一方面为获得励磁又必须从 电网吸收落后的无功功率，使电网的功率冈数变坏。所以异步风力发电一般不能脱离电网单独 运行，除非用某种方式获得励磁。 笼型异步电机以其结构简单、控制灵活，能很好的满足风电场合对系统提出的高可靠、免 维护的性能要求，因而其应用在近年来逐渐增多。特别是异步发电机由于其励磁可控，可以通 过调整铁损耗和铜损耗等的比重，使电机运行于最优效率之下，大大提升发电总量。如果能找 剑一种适用于异步发电机的效率最优控制策略，将使笼型异步发电机在风力发电中的应用具有 更大的竞争力。 1 2 7 蓄能装置 风能是随机性的能源，具有间歇性，并且无法直接储存。因此，即使在风能资源丰富的地 区，把风力发电作为获得电