基于双凸极永磁风力发电机的pwm变换器设计和控制研究

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1、东南大学硕士学位论文第1章绪论相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，一些重要的原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划‘6】【7】，其中包括国家的光明工程和863计划——后续能源技术主题等国家重大科技发展项目。有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。§1．2风力发电技术概况目前风力发电机组面临两个亟待解决的问题——发电机组效率的提高和风力发电质量的控

2、制。提高风能利用率，降低风电成本是发展风电事业的必备前提。现代控制技术和电力电子技术的发展为上述两个问题的解决提供了技术基础，应用这些最新发展的技术开展对这两个关键问题的研究，对风力发电技术的进步具有重大意义。在风力发电技术上，经过不断发展，世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一结构形式。进入21世纪后，随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展，世界风力发电技术得到了飞速发展，其主要体现在：1、风力发电机单机容量不断上升。随着材料技术和风力机制造和控制技术的飞速发展，风力发电机的容量不断上升。现今单机容量为5MW的风机己经进入商业

3、化运行阶段。2、无齿轮箱系统的直驱方式增多。去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计和制造成本，但有效地提高了发电系统的效率和可靠性。3、变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式。采用变桨距调节方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速发电功率将下降的缺点。4、变速恒频(vscF)方式迅速取代恒速恒频(CSCF)方式。变速恒频方式可通过调节机组转速追踪最大风能，提高了风力机组的运行效率。§1．2．1风力机的功率调节技术风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性嘲可知，一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率厶的表达式为：式中：cp—

4、—风能利用系数图1—1风力机性能曲线0=0．5CppV’A=，rpD2V3q／82东南大学硕士学位论文第1章绪论p——空气密度(kg，m’)；A——叶轮的扫掠面积(m。)．D——叶轮的直径(m)；V——作用于风力机的迎面风速(m／s)。系数巴反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数C，一叶尖速比A曲线来表示，如图1-l所示。不同桨距角卢时，风能利用系数G对应的叶尖速比不同。叶尖速比：五=D‰／(2v)(1·2)式中：nh——风力机风轮角速度(md，s)；1、定桨距功率调节方式风力机的桨叶与轮毂的连

5、接是固定的，即风速变化时，桨叶的迎风角度不会随之变换的发电机组称为定桨距风力发电机组。定桨距功率调节方式具有结构简单、性能可靠的优点。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，从C的关系看，难以保证在额定风速之前C最大，特别是在低风速段，这段区间系统效率较低。这种机组通常设计有两个不同功率，大功率高转速的发电机工作于高风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区，由此来调整厶追求最佳风能系数G。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低C，从而维持功率恒定。2、变桨距功率调节方式采用变桨距功率调节方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速时发电机输出功率下降的缺点。

6、变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，而要依靠叶片节距角(气流方向与叶片横截面的弦的夹角)的改变来进行调节。变桨距型风力机能使叶片的安装角随风速而变化，从而便于风力机在各种工况下(起动、正常运转、停机)按照风机最佳参数运行。在额定风速以下时节距角处于零度附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力机，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化，以使发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量；当功率超过额定功率时，变桨距机构将调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近，不需要采用过载能力大的发电机。§1．2．2变速恒频风力发电技术发电机及其

7、控制系统负责系统的能量转换，其运行状况和控制技术决定着整个风电系统的性能、效率和输出电能质量，是整个风力发电系统的核心组成部分。根据整个系统的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频(cscv)发电和变速恒频(VSCF)发电两类：1、恒速恒频风力发电恒速运行方式下的风力机转速是不变的，而外界风速是经常变化，因此风力机的叶尖速比A不可能经常保持在最佳值，巴值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态，系统运行效率较低。随着风力发电系统单机容量的增大，发电效率显得越来越重要．追踪最大风能，提高整个风力发电机组的运行效率是当务之急。随着电力电子技术、计算机控

8、制技术及风