华中科技大学电气专业新型电机大作业 开关磁阻电机在风力发电系统中的应用

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1、开关磁阻电机在风力发电系统中的应用华中科技大学电气与电子工程学院新型电机论文作业一、引言风电行业现状概要与开关磁阻电机发展简介风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助

2、于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。属于风能资源较丰富的国家。“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。据统计，全国平均风能密度大约为100W/m2，风能总量为3226GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分

3、地区，每年的年平均风速在3m/s以上时间近4000h，一些地区的年平均风速在6～7m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10GW。风力发电问题近年来已成为电力行业研究的热点。在风电发展的过程中，直驱永磁同步电机得到了越来越广泛的应用。开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企

4、业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和风电等各个领域。二、风电机组的特性原理2.1风机特性研究风力机的种类很多，目前大型并网风力发电机组中采用的风力机绝大多数都是水平轴、下风向式、三叶片。风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。在这个过程中，风力机捕获风能的过程起了相当重要的作用，它直接决定了最终风电机组的转换效率。但不管采用什么形式的风力机，都不可能将风能全部转化为机械能。德国科学家贝茨（Bet

5、z）于1926年建立了著名的风能转化理论，即贝茨理论。贝茨假设风轮是理想的，既没有轮毂，且有无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力；此外假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流流过风轮的速度方向为轴向。理想风轮的气流模型如图2-4所示。图2-4理想风轮的气流模型其中，v是风轮上游的风速，是通过风轮的风速，是风轮下游的风速。通过风轮的气流上游截面积为，下游截面积为。根据理论和能量的转化，一定有，根据贝茨理论，则有设S为风轮平面面积，为空气密度，则风能作用于桨叶上的力为（2.1）由此计算桨叶接收的功率为：(2.2)由上游至下游的动能变化：（2.3）因能

6、量守恒，则（2.4）可以求得：（2.5）（2.6）由于桨叶前风速是认为给定的，故对P微分求其最大值，P是的函数，则有若令其为0，解得代入P的表达式，可求出P的最大值：（2.7）由此，除以气流通过扫风面S所具有的动能，得到风轮的理论最大效率：（2.8）这就是著名的贝茨定理，它说明理想的最佳条件下，对风能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化为了旋转动能而损耗在桨叶背面也就是说，实际风力机的效率必定小于0.59，所以在实际的风力机运行中，就是要最大限度地接近该风能的最大利用数值。风力机的机械转矩T与风速v的关系可以表示为:（2.9）其中是反应转矩大

7、小的系数。转化机械功率为：(2.10)风力机实际得到的有用功率为：（2.11）其中R为风轮半径，为风力机运行机械角速度，为风能机械转化效率，且叶尖速比（表示风轮运行速度快慢）为要使得系统获得最佳的功率输出系数，即得到最大,根据不同的（叶片回转平面与桨叶界面弦长之间的夹角）和值可得出功率系数近似特性曲线（关系见图2.3），求得，所以的取值是实现最大风能追踪控制的关键。图2-5与叶尖速比以及桨距角的关系2.2最大风能追踪根据贝兹(Betz)定理，风力机获得的机械功为:（2.11）其中，为风能利用系数，为空气密度，S为风力机扫风面积，V为上游风速叶尖速

8、比可以用下式表示：（2.12）其中，为风轮的角速度，为电网频率，为风轮半径。对某一确定的风力机，当和V一定时，风力机所获得的机械功率仅与