XXXXXXXXXX大学 毕 业 论 文 题 目：
风力发电机的设计及风力发电系统的研究 系：
电气与信息工程系 专业：
电气工程及其自动化 班级：XXXXX学号：
XXXXXXX 学生姓名：
XXXXXX 导师姓名：
完成日期：
2017年6月10日 毕 业 设 计 题 目：
风力发电机的设计及风力发电系统的研究 系：
电气与信息工程系 专业：
电气工程及其自动化 班级：XXXX 学号：
XXXXXXX 学生姓名：
XXXXXXXXXXXXXXX 导师姓名：
XXXXXXXXXXXXXXXX 完成日期：
2017年6月10日 诚 信 声 明 本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；

2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；

3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：
日期：
年 月 日 毕业设计（论文）任务书 题目：
风力发电机的设计及风力发电系统的研究 姓名 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求：
1）基本数据：额定功率 KW 连接方式 Y 额定电压 额定转速 相数 m=3 功率因数 效率 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：
（1） 风力发电机的电磁设计方案；

（2） 风力发电系统的研究；

（3） 电机主要零部件图的绘制；

（4） 说明书。

进度安排及完成时间：
2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪 论 1 1.1 开发利用风能的动因 1 1.1.1 经济驱动力 1 1.1.2 环境驱动力 2 1.1.3 社会驱动力 2 1.1.4 技术驱动力 2 1.2 风力发电的现状 2 1.2.1 世界风力发电现状 2 1.2.2 中国风力发电现状[13] 3 1.3 风力发电展望 3 第2章 风力发电系统的研究 5 2.1 风力发电系统 5 2.1.1 恒速恒频发电系统 5 2.1.2 变速恒频发电机系统 6 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 9 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 9 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 9 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 19 第3章 风力发电机的设计 25 3.1 概述[11] 25 3.2 风力发电机 25 3.2.1 风力发电机的结构 25 3.2.2 风力发电机的原理 26 3.3 三相异步发电机的电磁设计 27 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 27 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] 27 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 28 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 29 结束语 40 参考文献 41 致 谢 43 附录 A 定子冲片图 附录 B 转子冲片图 附录 C 总装图 风力发电机的设计及风力发电系统的研究 摘 要：本文对国内外风力发电的发展现状进行了概述。指出了风力发电机的发展趋势和研究方向。阐述了三相异步电机的结构与原理。重点讲述了三相异步发电机的电磁设计方法，并列出了具体的电磁设计过程。本课题所研究的异步发电机，是目前最理想的风力发电机，前景非常乐观重点介绍了目前风电场中所采用的风力发电机组 ,包括风力机、风力机的功率调节及恒速恒频和变速恒频发电系统。介绍了风力发电机组的三种典型控制策略的理论依据技术路线。设计了一个变速恒频风力发电系统。本设计方案程序简单、结构清楚、数据精确，设计过程追求提高效率，兼顾简化工艺，降低成本等特点。

关键词：
新能源；
风力发电机；
变速恒频 The design of wind power generator and the research of wind power system ABSTRACT: A brief summarization of development on wind turbine generators both in China and in the world is given in this paper. Some development and study tends are presented. Introduce the structure and principle of three–phase asynchronous machines. Elaborated the methods of three–phase asynchronous machines electromagnetic design, lists the details about the process of electromagnetic design. This lesson a study the three–phase asynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topics mentioned here are about wind turbine, power regulation of wind turbine and induction generator in wind farms with electrical power system. This paper introduces three types of representative controlling strategies and technical basis and route in major wind turbine generator with plane shaft. Designed a system of gearshift invariable frequency wind power. This design project procedure is simple, the structure is clear, the data precision, design the process in addition to pursuing to lift high-efficiencily, look after both sides to simplify the craft, decline low cost etc. Key words: New energy resource；
Wind turbine generator；
Variety invariable frequency 第1章 绪 论 1.1 开发利用风能的动因 风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。

1.1.1 经济驱动力 1.1.1.1 经济最优化 能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。在这些地区，利用汽油/柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。

1.1.1.2 化石能源资源枯竭与供应安全[5] 进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，石油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。

一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。

1.1.1.3 促进能源产业升级 风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。

1.1.2 环境驱动力 除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过《京都议定书》，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。

1.1.3 社会驱动力 风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。

另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例子，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。

1.1.4 技术驱动力 随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。

1.2 风力发电的现状 1.2.1 世界风力发电现状 20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100～200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。

世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW,平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿～4.7亿KW。

1.2.2 中国风力发电现状[13] 中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。

20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了１台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985万KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。

1.3 风力发电展望 风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600～750KW，MW级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、 美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。

在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕捉的风能要比30m高处多20%。

尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近年来发展了一种变速风力发电机组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。[14] 风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；
进机群布局的合理性；
提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；
进一步降低设备投资及发电成本；
总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。

此外，发展海上风电场也成为新的大型风力发电机组的应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在规划较大的海上风电场项目。这是由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用为2000h，好的为2600h，而在海上则可达3000h以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为3～8m处，因而同容量装机要比陆上成本增加60%（海上基础占23%，线路占20%，陆上仅占5%）左右，但发电量可以增加50%以上。

第2章 风力发电系统的研究 2.1 风力发电系统 风力发电系统是风力发电的重要部分，它不仅直接影响转换过程的性能、效率和供电质量，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、控制及供电性能好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。在考虑发电机系统方案时，应结合它们的运行方式重点解决以下问题：
1) 高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。

2). 高效率的实现能量转换，以降低每度电的成本。

3) 稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。

目前得到广泛应用的主要有恒速恒频发电系统和变速恒频发电机系统。下面分别作一概要介绍。

2.1.1 恒速恒频发电系统 恒速恒频发电系统一般来说比较简单。所采用的发动机主要有两种，即同步发电机和鼠笼型感应发电机。即同步发电机和鼠笼型感应发电机。前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速的转速运行。

风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机。其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。因为三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和仅有单相电网的少数情况下才了考虑采用单相发电机。

同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功率，一台额定容量125KVA、功率因数为0.8的同步发电机可以在提供100KW额定有功功率的同时，向电网提供,+75KW和-75KW之间的任何无功功率值。它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。

同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本相对于感应发电机也比较高。

感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线型两种。在恒速恒频系统中，一般采用鼠笼型异步发电机。它的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆筒形。槽中嵌入金属（铝或铜）导条，在铁心两端用铝或铜端环将导条短接。转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而结构简单、坚固，基本上无需维护。[6] 感应发电机也可以有两种运行方式，即并网运行和单独运行。在并网运行时，感应发电机一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收落后的无功功率。在单独运行时，感应发电机电压的建立需要有一个自励过程。自励的条件，一个是电机本身存在一定的剩磁；
另一个是在发电机的定子输出端与负载并联一组适当容量的电容器，使发电机的磁化曲线与电容特性曲线交于正常的运行点，产生所需的额定电压。

2.1.2 变速恒频发电机系统 这是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳的最好方法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。

变速运行的风力发电机有不连续变速和连续变速两大类，下面分别作一概要介绍。

2.1.2.1 不连续变速系统 一般来说，利用不连续变速发电机可以获得连续变速运行的某些好处，但不是全部好处。主要效果是比以单一转速的风电机组有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。但它对风速的快速变化实际上只是一台单速风力机，因此不能期望它像连续变速系统那样有效地获取变化的风能。更重要的是，它不能利用转子的惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力机的疲劳寿命。下面介绍不连续变速运行方式常用的几种方法。

1. 采用多台不同转速的发动机 通常是采用两台转速、功率不同的感应发电机，在某一时间内只有一台被联到电网，传动机构的设计使发动机在两章风轮转速下运行在稍贵有各自的头部转速。

2. 双绕组双速感应发电机 这种电机有两个定子绕组，嵌在不同的定子铁心槽内，在某一时间内仅有一个绕组在工作，转子仍是通常的鼠笼型。电机有两种转速，分别决定于两个绕组的极数。比起单速机来，这种发动机要重一些，效率也稍低一些，因为总有一个绕组未被利用，导致损耗相对增大。它的价格当然也比通常的单速电机贵。

3. 双速极幅调制感应发电机 这种感应发电机只有一个定子绕组，转子同前，但可以有两种不同的运行速度，只是绕组的设计不同于普通单速发动机。它的每相绕组由匝数相同的两部分组成，对于一种转速是并联，对于另一种转速是串联，从而使磁场在两种情况下有不同的极数，导致两种不同的运行速度。这种电机定子绕组有六个接线端子，通过开关控制不同的接法，即可得到不同的转速。

双速单绕组极幅调制感应发电机可以得到与双绕组双速发电机极不相同的性能，但重量轻、体积小，因而造价也较低，它的效率与单速发动机大致相同。缺点是电机的旋转磁场不是理想正弦形，因此产生的电流中有不需要的谐波分量。

2.1.2.2 连续变速系统 连续变速系统可以通过多种方法来得到，包括机械方法、电/机械方法、电气方法及电子学方法等。机械方法如采用变速比液压传动或可变传动比机械传动，电/机械方法如采用定子可旋转的感应发电机，电气式变速系统如采用高滑差感应发电机或双定子感应发电机等。这些方法虽然可以得到连续的变速运行，但都存在这样或那样的缺点和问题，在实际应用中难以推广。目前看来最有前景的当属电力电子学方法，这种变速发电系统主要由两部分组成，即发电机和电力电子变换装置。发电机可以是市场上已有的通常电机如同步发电机、鼠笼型感应发电机、绕线型感应发电机等，也有近来研制的新型发电机如磁场调制发电机、无刷双馈发电机等；
电力电子变换装置有交流/直流/交流变换器和交流/交流变换器等。下面结合发电机和电力电子变换装置介绍三种连续变速的发电系统。[9] 1. 同步发电机交流/直流/交流系统 其中同步发电机可随风轮变速旋转，产生频率变化的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流来进行控制。发电机发出的频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。

2. 磁场调制发电机系统 采用的发电机为磁场调制型发电机，磁场调制型变速恒频发电机系统由一台专门设计的三相高频交流发电机和一套功率转换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频，用频率为 (一般是工频50Hz)的低频交流电励磁，则三相电枢绕组的输出电压将是由频率为和的两个分量组成的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关频率为的恒频正弦波输出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。

由上述可以看出磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合用于并网运行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，这样，风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单，运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正弦输出波形。还有该系统中的换向操作简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

它的缺点是若想得到三相输出，则必须采用三套磁场调制发电机系统，且各套发电机系统间应保持某一合适的相位差，这就提高了整个系统的成本。磁场调制发电机系统用的高频发电机的转速较高，而风轮转速较低，故系统需要速比较大的增速器，也提高了系统的成本。另外，因其电力电子变换装置处在主电路中，因而容量要大，提高了成本。

3. 双馈发电机系统 双馈发电机的机构类似绕组型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交/交循环变流器）供给三相低频励磁电流，当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度n1与转子的机械转速n2相叠加，使其等于定子的同步转速n3。从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时转速n2随之而变化。在n2变化时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n1，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。

系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成另一种较低频率的电力变换装置，半导体开关器件采用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形，输出频率一般不超过输入频率的三分之一。由于变换装置处在发电机的转子回路（励磁回路），其容量一般不超过发电机额定功率的30%。这种系统中的发电机可以超同步运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n1为负），也可以次同步速运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，为正）。在前一种情况下，除了定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力；
在后一种情况下，则在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。

上述系统由于发电机与传统的绕线式感应电机类似，一般具有电刷和滑环，需要一定的维护和检修。目前正在研究一种新型的无刷双馈发电机，它采用双级定子和嵌套偶合的笼型转子。这种电机转子类似鼠笼型转子，定子类似单绕组双速感应电机的定子，有6个出线端，其中3个直接与三相电网相连，其余3个则通过电力变换装置与电网相联。前3个端子输出的电力，其频率与电网频率一样，后三个端子输出的电力，其频率相当于转差频率，必须通过电力变换装置（交/交循环变流器）变换成与电网相同的频率和电压后再联入电网。这种发电机系统除具有普通双馈发电机系统的优点外，还有一个很大的优点就是电机结构简单可靠，由于没有电刷和滑环，基本上不需要维护。

2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化，而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能。另外，对于恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴、齿轮和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果这种过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时应该加大安全系数，从而导致制造成本增加。而风力发电机采取变速运行时，当风速跃升产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力。当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机内部能量传输部件的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。

变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：
1) 最大限度的捕捉风能。

2). 较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。

采用一定的控制策略（如矢量PWM）可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用。

3) 采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降成本。

2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 变速恒频风力发系统以变速恒频为核心,系统结构包括：风能机、齿轮箱、异步发电机、整流装置、储能装置、控制系统六部分组成。

异步发电机三相电枢绕组的输出电压将是由频率为和的两个分量组成的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关频率为的恒频正弦波输出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。发电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合用于并网运行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，这样，风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单，运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正弦输出波形。还有该系统中的换向操作简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

系统如图2.1所示：
齿轮箱 风力 发电机 整流装置 控制系统 储能装置 电 网 图2.1 变速恒频风力发电系统 2.2.2.1 风轮机 风轮机是整个风力发电系统能量转换的首要部件, 它用来截获流动空气所具有的动能, 并将风轮机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能, 所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出, 而且直接影响机组的安全稳定运行。风轮机的设计及其空气动力特性的分析一直是风力发电系统研究与开发的一个重要方向。

风轮机的气动特性很复杂, 主要包括: 力矩特性、功率特性、推力特性等。为了阐明充分利用风轮机获取风能、使发电机与风轮机达到最佳配合的方法,下面对风能机的功率特性做简要的分析说明。

设A 为风轮机叶片迎风扫掠面积,为空气进入风轮机扫掠面以前的风速(即未扰动风速) , Q为空气的密度, 则在单位时间(内垂直通过截面A的空气的动能, 即风轮机的输入功率为: = (2.1) 定义风能利用系数 (2.2) 所以有: (2.3) 风能利用系数时表征风轮机效率的重要参数,它随着风轮机转速的不同,值是变化的.根据贝茨理论[ 3 ] , 的最大值为01593。一般的, 对水平轴风轮机而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速风轮(少叶片风轮属于高速风轮) 的大于低速风轮的, 同时考虑到在风场中风轮机会受到风速与风向波动的影响, 高速风轮实际的大致在0.4 左右, 很难超过0.5。

在某一固定的风速下, 随着风轮机转速n 的变化, CP 的值会相应的变化, 从而使风轮机输出的机械功率Pm 变化, 也就是说, 转速n 变化, 会导致风轮机捕获风能的能力有所不同。

2.2.1.2 齿轮箱 齿轮箱是风轮机和风力发电机之间的传动机构,属于机械部分,它的作用是风能机转动通过齿轮箱的传动而使发电机转动起来。齿轮箱也根据特殊情况采用一些特殊装置,例如:：在孤岛型供电方式的风力发电系统中,可在风力涡轮机与发电机之间装设飞轮,利用飞轮的高惯性在风速过快时进行储能,风速过慢时释放储能,使风力涡轮机输出机械功率稳定。但飞轮的使用受场地限制,且飞轮必须与柴油机配套使用。

2.2.2.3 风力发电机 目前用来做风力发电的风力发电机种类多种多样,有异步发电机、同步发电机、永磁发电机等等。

本系统选用双输出异步发电机,其性能及优越性如下：
异步发电机一直是风能系统中常用的能量转换器，因为把异步发电机并入电网的手续极为简单，只要将转子带动到尽可能接近同步转速，并注意转子转向与定子旋转磁场转向一致，即可并入电网。通常同步发电机并入电网时必须整步，并且并入电网后有时会发生振荡与失步。而且，变速运行的风力发电机能捕捉更多的风能，这可从三个方面来说明：当风速低于用来发出与电网同频率电能所需的速度时，仍能利用此时的风能。第二，通过对电压和频率的动态控制允许发电机工作在最大效率点。第三，电压和频率的动态控制使电机励磁能跟踪风速变化，因此可以降低机械传动的能量损耗。但该机组的主要缺点是风速小时，电能输出少。为此在风力发电机组的机电变换器线路中利用不同极对数和不同额定功率值的两台异步发电机的方法，可以达到增加输出的目的。该方案是在电网频率不变的情况下，由风轮运行工况变换为电机转速变化工况，从而增加了电能输出，还可以实现机组的平衡起动和电磁制动，以及电网电压故障时，控制线路中的伺服电动机可得到备用电源。

利用两台发电机无疑会增加风力发电机组的年发电量，但同时也会增加主电气设备的成本，增加折旧的运行费用。因此，也有采用一台双速变极发电机来替代两台不同额定功率值的异步发电机。

通过进一步研究发现，双输出异步发电机产生的有功功率、功率因数和效率都较普通感应发电机的高，也就是说它比普通感应发电机具有很大的优越性。

1. 双输出异步发电机的工作原理 风能转换系统中使用的传统异步发电机向电网输送电能时，作为恒输出功率的异步发电机以超同步转子速度运行。这个特征在速度高于电机额定转速时损失了风能，也就是说，该系统是作为恒频风能转换系统运行的。为使异步发电机作为一种变速、恒频装置运行，将其转子回路与一个整流器、一个直流耦合变换器和一个有源逆变器相连，使转子回路的转差频率交流电流由半导体整流器整流为直流，再经逆变器把直流变为工频交流送到交流电网中去。这种能量既可以由定子、也可以由转子送到交流电网中，故称双输出异步发电机。此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差频率转换为工频交流的变频装置。控制逆变器的逆变角，就可以改变逆变器的电压。该异步发电机是作为一台双输出感应发电机以超同步速度运行的。这实际上是异步电机的串级调速在风能转换系统中的实际应用。

这种系统中异步发电机转子绕组侧接的整流器是不可控整流器，与转子绕组接交-交变频器的双馈调速系统比较，调节功能要小些，其中最主要的是不能调节定子侧的无功功率，且因逆变器功率因数低，使整个系统的功率因数较低。但由于SCR的应用的衰退，也由于网侧谐波严重，SCR交-交变频电路将被逆变电路所取代；
而且，转子侧接交-交变频器时，检测、控制转差频率的电流存在一定的困难，采用上述串级系统就可以解决这个问题。

2. 双输出异步发电机的稳态特性 为了使双输出异步发电机与普通异步发电机进行比较，可用实验的方法验证双输出异步发电机的性能。实验时，将定子端电压减少到165V（额定电压220V时）。如果施加额定电压，由于异步发电机的电流受到限制，就不可能获得更多的实验数据。有功功率和相应的转子电流随转子速度的变化转子速度增加时，异步发电机发出的有功功率也增加，直到它达到最大值为止，然后再下降（也就是电机失步）。同样应当注意，电机达到失步之前，定子电流增加到超过其额定值时会使电机过热，然而双输出异步发电机若使引起发热的电流保持不变，在超过运行速度范围时，也能在其额定发热范围内稳定工作，这可通过改变变换器的触发角来实现。

3. 无功功率和功率因数随速度的变化 普通异步发电机的无功功率比双输出异步发电机的高得多。从而，双输出感应发电机具有较高的功率因数，这是因为当保持电机气隙磁通不变的情况下，通过调节转子电压的相位和幅值，就可以补偿定子侧的无功功率。换言之，就是建立气隙磁通的激磁电流，部分或全部由转子电压产生。这时，定子侧的无功功率减少，转子侧的无功功率增大。和同步电机过激时的情况类似，增加转子侧的激磁电流，可以使定子减少滞后的无功功率，提高电网侧的功率因数。这意味着当连接到电网时，双输出感应发电机是一台较好的能量转换器。

4. 效率随速度的变化 在额定速度之上时，双输出异步发电的效率比普通异步发电机的效率高，这是因为在超同步运行时，由于发电机额定输出转矩不变而转速提高，所以电机的输出功率提高，同时因为铜耗、铁耗基本保持不变，所以电机的效率也得到提高。

双输出异步发电机的有功功率、功率因数和效率都比传统的异步发电机的高，它在性能上具有明显的优势，而且整个系统结构简单，价格低廉，可靠性高，能在较宽速度范围内工作。另外，应当指出的是，由于在转子回路中采用了直流耦合变换器，在转子和定子中都会引起谐波电流，从而产生谐波转矩和增加机械损耗，对双输出异步发电机的特性带来了一些影响。例如，当直流回路中电抗器的电感量足够大时（Ld﹕大于或等于3Xp/ｗ0，Ld﹕——折算到转子整流回路的平均电抗器的电感，Xp——折算到转子侧的每相漏抗，ｗ0——定子侧电源的频率）时，逆变器的脉动电势所引起的转子脉动电流可以忽略不计，但当 Ld不满足上述条件时，将会出现轻载时电流断续的现象，使机械特性发生畸变。另外，直流侧的整流电压与逆变电势的瞬时值不相等，还会引起逆变器的提前短路，形成环流。但通过选择适当的参数（如定子漏电感、转子漏电感及励磁电感、定子电阻、转子电阻），可以使谐波分量降低，脉动转矩和铜耗均减少。

2.2.2.4 整流装置 1. 整流电路的选择策略[20] 1) 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；
按电路结构可分为桥式电路和零式电路；
按交流输入相数可分为单相电路和多相电路；
按变压器二次侧电流的方向可分为单向或双向；
又分为单拍电路和双拍电路。

2) 各种整流电路优缺点的比较 a) 单相半波可控整流电路的特点是：简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。

b) 单相桥式全控整流电路与单相全波二者的区别在于：单相全波可控整流电路中变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂。绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全桥多，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。

单相全波可控整流电路中只用2个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2个，相应地，晶闸管的门极驱动电路也少2个；
但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥式整流电路的2倍。

单相全波可控整流电路中，导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降。

从上述比较考虑，单相全波电路适宜于在低输出电压的场合应用。

c) 单相桥式半控整流电路的特点：该电路实用中需加设续流二极管VDR，以避免可能发生的失控现象。电路简化。

d) 电容滤波的单相不可控整流电路的特点：适用于交―直―交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，常用于小功率单相交流输入的场合。

从上述各种整流电路的优缺点的比较及根据本文研究的风力发电机输出的电的要求，本系统采用电容滤波的单相不可控整流电路 2. 稳压电路的选择策略 开关稳压电源发展迅速，种类繁多，从工作方式上，可分为可控整流型、斩波型和隔离型三大类。

1) 所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作调整开关，由交流市电电网供电，可直接供电，也可经过变压器变压后供电。在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角，靠调导通角的大小，达到调整输出电压和稳定输出电压的目的。方框图见图2.2。

可控电流 滤波 脉冲控制电路 图2.2 可控整流型开关稳压电源 2) 所谓斩波型开关稳压电源指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经滤波得到与输入电压不同的稳定的直流输出电压，从输出电压取样，经比较、放大、控制脉冲信号，控制调整开关的导通时间和截止时间的相对长短达到稳压的目的。方框图见图2.3。这种稳压电源的开关元件常由晶体三极管担任。调压也是靠改变调整开关的导通和截止时间的相对长短来实现的。

调整开关 滤波 脉冲控制电路 Ｕｉ Ｕ０ 图2.3　斩波型开关稳压器方框图 3) 所谓隔离型开关电源，是指输出回路与逆变电路之间，经过高频变压器，由磁场的变化实现能量传递，没有电流之间的直接流通。习惯上称为直流变换器。直流变换器不都是隔离型开关稳压器，因为直流变换器中，将输入的直流变成交变电压的逆变器不都是工作在开关状态，如正弦波振荡状态，还有不少直流变换器没有稳压功能。严格地说，直流变换器包括隔离开关型稳压器，但为了通俗，还是采用直流变换器一词。直流变换器是指直流电压供电，经开关电路，将直流变成交流，因与整流作用相反，因此通常称为逆变器。经过逆变器将直流供电能量转变成频率很高的交流能量，再经变压器隔离、变压（升压或降压），再整流，得到新的直流输出电压。从输出取样，经放大、反馈至逆变器，控制它的工作，达到稳定输出电压的目的。方框图见图2.4。

逆变 变压 整流 滤波 反馈控制 Ｕｉｉｉｉｉｉｉｉｉ Ｕo 图2.4 直流变换器方框图 根据本文的研究，采用可控整流型开关稳压电源电路。

3. 逆变电路的选择策略 1) 直接逆变后用工频变压器升压至交流220V 这种方法电路结构简单，控制也比较容易。但是因为使用工频变压器，从而增大了体积、重量和成本。另外，逆变时由于输入电压低，造成电流大，功率管的选择比较困难。还有，逆变后电流也比较大，从而后级工频变压器的制作也比较困难。

2) 高频链逆变技术逆变出交流220V电压 这种方法因为使用高频变压器，因此体积小、重量轻、成本也低。但是由于是新兴技术，逆变时要精确确定电压过零点和电流过零点，因此控制电路比较复杂、难以控制。另外，目前采用高频链逆变技术的逆变器只能用于低功率范畴。有关资料表明，目前最大功率仅为300W。

3) 高频升压后接逆变器逆变出交流220V电压 这种方法不但控制简单，而且也避免了使用工频变压器。升压电路可供选择的电路结构形式有多钟，如升压斩波器、升降压斩波器、Cuk电路、单端反激式、双端开关电源等。实际中可以选择输入输出隔离的电路结构形式，也可以选择不隔离的电路结构形式。为了人身安全起见，一般选用输入输出有隔离的电路结构。

2.2.2.5 储能装置 一般的风力发电系统可采用电池储能装置给风力发电机储能，系统(如下图2.5)所示。图中是发电机出口电压,是整流器出口电压, 是逆变器入口电压,U是负荷电压,直流/ 直流转换器用于两个直流电源之间的电压转换,有带电压隔离和不带电压隔离两种。根据风场的风速条件计算出发电机电流、整流器电流、负荷电流、电池充电电流及电池电压。数据输入为测量值，计算结果与测量值在控制器中进行比较，校正后调节输出，使输出稳定。研究表明系统参数中受风速变化影响的依次是发电机电流、整流器电流、电池电流。由于电池的存在,使得发电机电压和整流器电压在短时间内不会随风速的变化而剧烈波动,但电池容量有限,一般用于小容量的孤岛型风力发电系统,在并网型供电形式中基本不采用。

图2.5 采用电池储能的风力发电系统 蓄电池优缺点的比较：
铅蓄电池：电压稳定，供电可靠，原料丰富，造价低廉，电气性能良好。

镍镉蓄电池：机械强度高，耐过充电及过放电且比能量较大等优点，但价格按贵。

锂离子电池：工作电压高，比能量大，充电速度快等优点，安全性好，循环寿命长，但价格按贵。

但从系统的优化角度考虑采用超导储能单元更具优越性。超导储能单元是柔性交流输电技术中的一种。它由一个超导线圈,一个强制换向变换器和一个控制器组成。强制换向变换器是基于晶闸管的半导体开关,能使超导储能（SMES）单元发出或吸收有功和无功功率。具有这种功能的超导储能单元可被看作是一个由有功和无功控制器控制幅值和相位的可控电流源。超导储能单元的储能容量大,响应速度快,在电力系统中已经有不少应用,如解决次同步振荡、多机系统稳定等问题,其应用前景非常光明。

虽然 SMES 价格较贵,但其容量大、响应快。到90年代已被应用于风力发电系统,然而迄今为止仅用于孤岛型的风力发电系统。随着风力发电向规模化、产业化发展,风力发电系统的供电形式必然由孤岛型向并网型发展。在并网型供电形式中应用超导储能SMES 技术。首先建立系统结构图如图2.6 所示, 表示发电机出口母线电压,所采用的超导储能(SMES) 控制单元方框图如图2.7 所示。

图2.6 系统结构图 图2.7 SMES 系统方框图 （2.4） （2.5） （2.6） （2.7） 由(2.4)、（2.5）、（2.6）、（2.7） 式和（图2.7）可知超导储能(SMES) 控制单元以异步发电机滑差的变化Δs 和发电机出口电压的变化| Δ| 作为输入信号, 使输出到母线上的有功功率和无功功率发生变化，从而影响风力发电机发出或吸收有功功率和无功功率。是超导储能作为电流源的输出电流， 和是已变换的超导储能(SMES) 装置的电流和电压偏差,是强制换向变换器的时间常数, 是超导储能线圈的电感, 和分别为电压和电流的标幺值,是异步发电机的滑差系数,是对应的电流比例系数。

所以本系统采用超导储能单元,可以提高整个系统的输出。

2.2.2.6 控制系统 为使风力机组能够稳定运行，必须对其进行有效的控制。考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的顺序，控制器应依次满足以下要求：
1) 风能转换系统是稳定的；

2) 运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性；

3) 控制代价小．即对不同输入信号的幅值有一定限制，如调向的时问等；

4) 最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量；

5) 风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。

在变速恒频风力发电控制系统中，需要一种功率转换装置将发电机发出的电能控制为恒频。其主要组成环节及作用如下：
1) 发电机把风力机输出的机械能转变为电能。

2) 发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、IGBT、GTO等）构成的AC/D变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。

3) 直流环节一般直流环节的电压控制为恒定。

4) 网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。

5) 变压器通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV或33kV等）。

其中2～4可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交一直一交变频器，也有采用交一交变频器的。另外，在有的方案中发电机的全部功率通过变频器进行转换，而有的方案只有部分功率通过变频器进行转换。

2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 变速恒频风力发电追踪和最大风系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化桨矩角定浆距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的能量的捕获；
在额定风速以上风力机变桨距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。

2.2.3.1 风力机最佳运行原理 一台风轮半径为的风力机，在风速下运行时，它所产生的机械功率：
（2.8） 式中 ——空气密度， ——风力机的输出功率系数（一般Cp=1/3～2/5，最大可达16/27=0.59） ——风力机的扫掠面积， ——风速， 从(1)式可以看出在一定的风速下， 值越大，风能转化为机械能的效率就越高。而风能利用系数一 (叶尖速比)关系的叶尖速比可表示为：
（2.9） 式中 ——风力机的机械转速(Rad／s) ——叶片半径(m) ——迎面风速() 由上可知，在为某一个特定值时对应一个最大的，但是恒速恒频风力发电机几乎不变，而风速是不断变化的，所以恒速恒频风力发电机总是工作于低效状态。如果当风速变化的时候，通过适当地调节发电机转子转速，使得为某一个特定值不变，从而能保持最大的，即能最大限度的利用风能。这就是变速恒频技术的优势所在。

风力发电机组控制目标通常有很多项，控制方法多种多样，但目前亟待解决的两个核心问题是：风能的最大捕获以提高风能转换效率以及改善电能质量问题为实现最大风能捕获，风力机有三种典型的运行状态：
1) 低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的风能利用系数值，根据风速变化控制风力机转速，使叶尖速比不变，直到转速达到极限；

2) 转速达到极限后，风速进一步加大时．按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能利用系数 不一定是最大值；

3) 超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力机。

2.2.3.2 风力发电系统的最优控制原理 最优控制是现代控制理论的一个重要组成部分，也是将最优化理论用于控制问题的一种体现。线性最优控制是目前诸多现代控制理论中应用最多、最成熟的一个分支，已广泛应用于电力系统、交流传动、电力电子等领域。对一般线性最优控制系统：
（2.10） 式中：为阶矩阵；
为阶矩阵。

性能指标：
（2.11） 其中：为终端时间；
为终端状态；

由此最优控制问题可表述为：求一允许控制使：系统由初始状态)出发在时间间隔内，到达目标集，并使性能指标为最小。对线性最优控制求解问题主要有变分法和极大值原理，如果性能指标采用二次型性能指标：
（2.12） 其中：、分别为状态量与控制量的权矩阵，则最优控制系统的设计转化为从黎卡提方程中解出阵从而得到最优控制 的问题。

对二次性能指标，如何选择权矩阵是一项较困难的工作，如选择不同的，那么其最优控制则是针对由该所确定的性能指标而言的。因此，如何恰当地选择权阵是线性最优控制设计中需注意的问题。在最优控制中，性能指标的选取直接表明了设计者的控制目的．若选时间，则为时间最优；
若选状态，则为状态最优；
若选择控制，则为能量最优；
若选择谐波损耗，则为谐波损耗最优控制。

风力发电系统所应用的控制方法中，以传统的PID 控制最多，也最为常见，其次就是最优控制。

2.2.3.3 最大风能捕获控制 1. 控制发电机转距实现最大风能捕获控制 为实现最大风能捕获控制(Maximum Power PointTracking，简称MPPT)，风力发电系统必须实行变速运行，使系统能够在不同风速下都能获得一个最佳叶尖速比；
变速方法分为两大类：一为主动变速，即通过改变风轮的桨距角，改变风电系统的总的输入气动转矩；
另一为被动变速，即根据测量风速，调节与发电机部分相联的逆变器的导通角，调节发电机的电磁转矩。相对恒速风力发电机组，变速风力机虽然可以增加风能捕获功率，但通常需要一个等容量的功率变换器相匹配，大大增加机组的制造成本。从目前的国内外研究来看，双馈或无刷双馈发电机是一个较为理想的选择．这类电机不仅可使功率变换器的容量降低为机组额定容量的20％ ～50％ ，而且对一个固定的功率或速度运行点，可调节电机上功率绕组和控制绕组间的功率流向，降低损耗。基于MPPT的风速估计器及最大效率点跟踪的研究模型，设计最优控制器，可以优化无刷双馈变速风力发电系统的输出功率。

异步发电机磁场定向控制，可实现电机的有功与无功功率的解耦、转矩与功率因数的解耦，使电机功率因数可调。将最优控制应用于定子磁场定向、高效全控型双馈风力发电机中，电机定、转子边各有一套全控型功率变换器，控制定转子的电压及频率，使发电机工作在弱磁风状态下。考虑到磁路的饱和问题，给出相应电流控制方法，导出最优铁损耗的状态方程，仿真表明此方法可使低风速时风能捕获效率提高6％。而对于具有滑差功率回馈的兆瓦级双馈感应风力发电系统，转差率控制能够获得适合风力发电要求的运行速度范围。转子回路中接有两个背靠背的变频器，目的是通过最小化电气损耗获得系统全局最大效率，实现最大风能捕获的最佳速度跟踪，电机功率因数可在±0.9之间任意调节。

对于独立运行的风力发电系统，可采用一类可调阻抗一滤波器方法，在线调节三相可控硅的触发角，稳定母线电压并保证风能系统在阵风及负载变化时获得最大风能利用。

2. 控制风力机桨距角实现最大风能捕获控制 在一台可变桨距、可偏航、可控负载的小型试验风机中应用两个最优控制器：一个在额定风速以下时起作用，调节风机获得最大风能；
另一个在额定风速以上时控制功率或转矩恒定。仿真结果表明：可获得较好的功率品质，但由于在各个运行点进行线性化处理时略去了高次项，导致过分严格的性能指标要求，使控制器之间的切换过于频繁，桨叶应力较大，疲劳负载也较严重，这类现象需引起足够的重视。

针对非最佳叶尖速比时的两种模态采用不同控制策略，设计出不依赖于具体风电系统特性的最大风能捕获控制器，可用于多种类型的风能系统。而为实现阵风和电力系统大扰动情况下的输出功率和电压的快速平稳跟踪，可以采用静态VAR补偿器调节异步发电机输出电压和采用变浆距机构调节机械输入功率的方法：结合极大值控制和自适应控制理论，采用改进的 Krsitc 方法进行风轮桨距角控制设计，也可获得最大输出功率跟踪，且可获得全局最优化。对于永磁电机风电系统，以桨距角和叶尖速比为自变量，采用适于非线性寻优的单纯形加速法给定不同风速下的最佳风轮转速_，控制反馈到电网的电流来控制直流侧电压，调节电机转速，实现最大风能捕获。在整个风速范围内，电机转速由自寻优控制外环和具有饱和特性的速度内环控制；
桨距角由具有饱和特性的功率控制环控制，在逆变器额定功率以下保持最大，额定功率以上靠PI调节器保持输出电压的稳定和输出最大电流。试验结果证明了控制策略的可行性。

传统的风力机组控制通常具有多环结构形式，通过动态补偿器反馈电压误差及转速以获得电压调节，通过电功率误差的PI反馈(桨距控制)及转速反馈获得功率凋节，两类控制有大致相同的带宽。在获取希望的控制性能时，环与环之间的相互作用会产生很多困难。为解决这些问题，采用一类积分型输出反馈调节器联动控制桨距角和励磁电压，次最优调节风力机组的输出功率和端电压。

2.2.3.4 风力发电机组运行稳定性控制 1. 偏航控制抑制塔身扭矩和震颤 通过偏航机构的连续控制，可有效降低结构性动态负载振荡。基于柔性结构风机模型的分析，研究偏航控制对塔身弯曲尤其侧向弯曲的影响，类似于装置有弹簧和阻尼器的悬挂系统或PD控制器，以偏航角及偏航速度为控制变量的周期性时变 LQ 偏航控制器能够获得同样的侧向阻尼，可有效降低塔身扭矩，但控制代价却仅相当于 PD 控制器的10％ 以内。控制方法不同，塔头在不同方向上的运动模式也不同。

现代风机研究和制造的一个重要目标就是降低单位发电成本，有效的功率控制不仅可以增加风能捕获，而且可以降低结构性成本及稳定边界，使风机趋于轻质化和更加柔性化。最常见的两种功率控制方法是桨距调节和发电机的电磁制动转矩控制。偏航控制中运用 LQ 最优控制理论，可降低风能转换系统中结构性动态负载。抑制塔身侧弯及桨叶的震颤。

2. 桨矩控制抑制塔身扭矩和传动链应力 为减小转子应力、桨叶和塔身的颤震、功率振荡、改善阵风响应，运用 LQG 最优控制理论设计一个全状态周期性的桨距控制器，系统状态方程是轴转子角的周期性函数。通过模拟结构性负载，应力确实减少，且改善了静态输出功率和功率品质。但此类方法所有仿真均建立在状态反馈基础上，从实现的观点看是不实用的，需要用输出反馈重新评价。应用最优和传统控制器在风能转换系统中，重点是为一阶传动链模式提供阻尼，控制中使用了桨距控制环和发电机励磁电压控制环：传统控制器包括一个电功率的 PI 环及一个轴速度的 P 环，发电机使用传统的 AVR。以端电压和电功率的最小偏差和积分为目标得到最优 MIMO 控制方案，在保持重要状态的同时，将状态反馈设计转化为输出状态反馈，仿真剧烈阵风和电气故障时的响应。此类 MIMO 方案可获得更平稳的桨距调整过程，在硬件兼容的基础上，传统方案也是可行的。在控制系统设计、研究及性能分析中使用了三种风的模型，但是否考虑测量噪声仍不明确，每一方案所引起的结构负载问题也没有提到。

3. 最优控制定桨矩风力发电机组中的应用 设计变速风能转换系统控制器时，必须考虑湍流引起的非线性动态系统共振问题，尤其对于轻质、柔性结构系统。这类系统虽然能降低成本，但同时也导致系统固有频率数值较低，可能会出现在闭环运行的频带中：应用系统辨识法描述变速定桨距异步风能系统的模型，比较六种不同的线性与非线性控制方案 ，进行大范围的频域和时域分析，可获得较为满意的结果。该模型可用于设计和评价风机速度调节的各类线性、非线性控制方案。将 LQG 控制应用于可变桨距恒速水平轴风能转换系统中，调节桨距保证输出功率维持在额定值附近．该控制器仅在额定风速以上起作用，且无开关暂态：通过实际风机模型的非线性模拟，测试并验证了阵风情况下控制系统的性能。

风电系统不但要求最大风能捕获，还要求有平稳的力矩传递动态，而最佳叶尖速比跟踪必须根据风速调节风机转速，导致在力矩传动链中产生大的力矩振荡：采用一类 LQG 方法，用二次型性能指标函数来优化对风能捕获和传动链负载限制要求，与线性控制方法对比：线性控制器因采用恒值参考速度以及非线性化空气动力特性的引入，力矩的动态特性不好；
而 LQG 非线性控制器在风速变化时，首先减小发电机力矩，使转速快速响应风速变化，直至力矩达到新的平衡点，可实现速度的快速响应，减小力矩波动。

风速、风向的随机性会使风力发电机组的输出电压、频率产生波动，如何减小以致消除这一波动是风电技术的一个重要研究课题，应用最优控制方法将超导储能单元 (SMES)加入并网型风力发电系统中，首先建立SMES 模型及加入SMES后系统的线性化仿真模型，采用遗传算法求解最优反馈矩阵，并借助 MATLAB 软件包设计控制器，仿真结果表明可改善风电系统输出的电压、频率的稳定性。

最优控制技术是所有先进控制技术中在风力发电系统中应用最早、相对比较成熟的控制方法。但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性、间歇性、湍流以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础．这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、鲁棒控制方法结合起束的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题：提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。这也将是风力发电系统控制的出路所在。

第3章 风力发电机的设计 3.1 概述[11] 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，而采用最多的是三相异步发电机。三相异步发电机既可以孤立运行，也可以联网运行。异步发电机并入电网的手续极为简单，只要将发电机的转子带动到尽可能接近同步转速，并注意转子转向必须与定子旋转磁场转向一致，即可并入电网。当电网容量足够大时，电网电压和频率均与异步发电机的转速无关。通常同步发电机并入电网必须整步，并入电网后有时会发生振荡与失步，这此些问题在异步发电机中均不存在。另外它的低耗，高可靠性，无需励磁装置和电刷，结构简单尺寸小，坚固耐用，基本上无需维修，它已成为风力及其它发电系统的最理想设备。所以本次设计采用异步发电机 3.2 风力发电机 3.2.1 风力发电机的结构 风力发电机的定子由定子铁心，定子绕组和机座三部分组成。

定子铁心是主磁路的一部分。为了减少激磁电流和旋转磁场在铁心中产生的涡流和磁滞损耗铁心由厚0.5mm的硅钢片叠成。容量较大的电动机，硅钢片两面涂以绝缘漆作为片间绝缘。小型定子铁心用硅钢片叠装，压紧成为一个整体后，固定在机座内；
中型和大型定子铁心有扇形冲片拼成。

在定子铁心内圆，均匀地冲有许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。小型感应电机通常采用半闭口槽和有高强度漆包线绕成的单层绕组，线圈与铁心之间垫有槽绝缘。半闭口槽可以减少主磁路的磁阻，使激磁电流减少，但嵌线较不方便。中型感应电机通常采用半开口槽。大型高压感应电机都用开口槽，以便嵌线。为了得到较好的电磁性能，中，大型异步电机都采用双层短距绕组。

转子由转子铁心，转子绕组和转轴组成。转子铁心也是主次路的一部分，一般由厚0.5mm的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子的外表呈圆柱形。转子绕组分为笼形和绕线形两种。笼形绕组是一个自行闭合的绕组，它由插入每个转子槽中的导条和两端固定环形端环构成，如果去掉铁心，整个绕组形如一个“圆笼”，因此称为笼形绕组。为节约用铜和提高生产率，小型笼形电机一般都用铸铝转子；
对中，大型电机，由于铸铝质量不易保证固用铜条插入转子槽内，再在两端焊端环的结构。笼型电机结构简单，制造方便，是一种经济，耐用的电机，所以应用极为广泛。绕组型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到设置的转轴上的三个集电环上，在通过电刷引出。这种转子的特点是，可以在转子绕组中接入外加电阻，以改善电动机的起动和调速性能。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需要调速的场合下使用。为减少电流，提高电机的功率因数，异步电动机的气隙选得较小，中、小型电机一般为0.2～2mm。

3.2.2 风力发电机的原理 风力发电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，异步电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速（同步转速ns）感应电机又称为“感应电机”。旋转磁场的转速ns子转速n之差称为转差，转差Δn与同步转速ns的比值为转差率，用s表示，即：
S= （3.1） 转差率是表征异步电机运行状态的一个基本变量。

当异步电机的负载发生变化时，转子的转速和转差率将随之而变化，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。按照转差率的正负和大小，异步电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。

当转子转速低于旋转磁场的转速时（ns＞n＞0）,转差率0＜s＜1.设定子三相电流所产生的气隙旋转磁场为时针转向，按右手定则，即可确定转子导体“切割”气隙磁场后感应电动势的方向。由于转子绕组是短路的，转子导体中便有电流流过。转子感应电流与气隙磁场相互作用，将产生电磁力和电磁转矩。此时电机从电网输入功率，通过电磁感应，由转子输出机械功率，电机处于电动机状态。

若电机用原动机驱动，使转子转速高于旋转转速(n＞ns)，则转差率s＜0。此时转子导体中的感应电动势以及电流的有功分量将与电动机状态时相反，因此电磁转矩的方向将与旋转磁场和转子转向两者相反，即电磁转矩为制动性质的转矩。为使转子持续地以高于旋转磁场的转速旋转，原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩；
此时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态。

若由机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转(n＜0),则转差率s＞1。此时转子导体“切割”气隙磁场的相对速度方向与电动机状态时相同，帮转子导体中的感应电动势和电流的有功分量与电动机状态时同方向，电磁转矩方向亦相同。但由于转子转向变，故对转子而言，此电磁转矩表现为制动转矩。此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机警功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变成电机内部的损耗。

3.3 三相异步发电机的电磁设计 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 异步发电机与其他发电机相比具有一些突出的有点：不像直流发电机和同步发电机那样，需要直流电源励磁，并且结构简单、体积小、无刷（指鼠笼式），这样运行可靠；
如与电网并联，过程非常简单，易于控制，只要将转子驱动到尽量接近同步转速，即可并入电网吸收滞后的无功电电流来激磁。对并网异步发电机来说，它从电网吸收无功电流，使电网功率因数变坏。异步发电机的激磁电流比较大，一般中大型异步电机的＝（20～30）％，而大型同步发电机的激磁容量常不到额定容量的1%.而对自激异步发电机来说，它所需要的激磁电流有并联的电容来提供，按从传统的方法使并联价格较高且较笨重的电力电容器。自激异步发电机运行使，端电压和频率随负载而变，为维持电压和频率恒定，除对源原动机转速调节外，还须根据负载的性质和大小随时调节所并联的电容器。这样电压质量不高，不能满足需要。为解决以上问题，不仅要在控制方面改进，而且首先从电机的设计开始分析。[1] 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] 从理论上说异步发电机和异步电动机只是异步电机的两种运行状态，前者将机械能转换为电能，后者将电能转换机械能。但在设计上家两者还是以后有区别的。其他电机如同步电机、直流电机的两种状态都有较广泛的应用，已有专门的分析方法。而异步发电机的应用远不如异步电动机那么普遍。长期以来只注重异步电动机的设计和制造，而异步发电机的电磁设计和制造或是照搬异步电动机，或是用相近容量的异步电动机作为异步电机来使用，通过以下的分析可知这种简单的照搬是不恰当的。

图3.1为异步电机的向量图，由图3.1知同一台异步电机作为发电和电动运行时，由于定子电流相位不同，使各量有所差别。第一：作为异步电动机运行时，比大，而作为发电机运行时，和相近。这样在发电状态时，其满载系数（）比作电动状态时大。同时由于发电机额定电压比电动机额定电压高，更加重了发电状态的满载电势。当一台异步电动机作为发电机运行时，由于满载电势增加，电机饱和度提高，一是使电机所需的激磁电流激增，在并网运行时，从电网吸收大量滞后的无功电流，使电网的功率因数降低；
在自激运行时，则必须大量的电容器，以满足所需的无功电流。以上两种情况都使异步发电机运行成本增加。二是铁耗增加。发电机发热，绝缘老化，降低发电机寿命，所以，异步发电机的满载电势系数取值要大得多，一般异步电动机在0.85～0.95内取值。第二：异步电机在电动机运行时，和的夹角小，而作为发电机运行时要大一些。在异步电动机设计中，许多公式都是基于小作出的，并且的相位与电动机的状况不同。在发电机设计中，这些都应重新计算，以免引起较大的误差。

图3.1 异步电机向量图 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 根据设计要求及额定数据参考异步电动机的电磁计算程序确定电机的电磁负荷，计算定子、转子冲片和铁心各部分尺寸及绕组数据，进而核算电机各项参数及性能，并对设计数据做必要的调整，直到达到要求。但异步电动机与异步发电机是有差异的，故不能直接引用而必须重新分析计算。以下所述内容均基于上海电器科学研制所出版的《中小型三相异步电动机电磁计算程序》 1) 满载电势系数1-ee取值范围不同，异步电动机一般在0.85~0.95之间，而异步发电机的要大得多，一般在0.95~1之间；

2) 异步电动机中1-ee=1-(× +)，由于异步发电机中与之间的夹角大于90°，因而某些项目的符号必须改变；

3) 异步电动机中=km××()2× [1+(km××)2]用于异步发电机时误差较大，应导出新的计算公式。

4) 电动机计算铁耗时对应于空载时的电势=1-e0，而发电机满载时的铁耗应对应于满载电势=1-ee；

5) 用=（1-ee）/更接近发电机实际情况。

另外，在设计过程中还要注意适当提高发电机的过载能力和功率因数，在保护线路上也要采取措施。

3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 3.3.4.1 额定数据和主要尺寸 1. 额定功率 ＝600 KW 2. 额定电压 =690 V ；

398.4 V 3. 功电流 = 502.04 A 4. 效率 5. 功率因数 6. 极对数 ＝2 7. 定、转子槽数 ＝48 , ＝40 (取 ＝4 ) 8. 定、转子每极槽数：
定子 ＝＝12 转子 ＝＝10 9. 定子外径 由经验公式可得2极小型电机满载电势标么值 ＝0.975 计算功率 ＝664.773 VA 初选 ＝0.72 ，＝1.12 ，＝0.98，＝46000 A/m , =0.72 T,假定=1450 r/min.于是得：
＝0.10685 取＝0.74 则 ＝0.569 m =1.015 m 根据标准尺寸最后确定 ＝1.02 m 10. 定子内径 ＝0.57 m 铁心得有效长度 ＝0.329 m 取铁心长 ＝0.325 m 11. 气隙 由经验公式 ＝1.02 m 12. 转子外径 ＝0.568 m 13. 转子内径 ＝0.08 m 14. 铁心长 ＝ 0.325 m 铁心有效长度（无径向通风道） ＝＋20.325+21.02=0.327m 15. 定、转子冲片尺寸（见图附1） 16. 极距 =0.4477 m 17. 定、转子齿距：
定子 ＝ 0.0373 m 转子 ＝0.0448 m 18. 定子绕组采用单层绕组 19. 转子斜槽宽 （取一个定子齿距）于是 ＝0.0375 m 20. 每相导体数 =48 单层线圈＝每线圈匝数=3 21. 每相串联导体数 ＝48 每相串联匝数 ＝24 22. 绕组线规设计 ＝98.36 ＝570.5 A 23. 槽满率 ：
初步取＝1.5 T 估计定子齿宽 ＝＝0.01885 m 初步取 ＝1.5 T ==0.977m =0.0196 m （取 ） （） （1）槽面积 ＝0.00217 （） （2）槽绝缘占面积：
单层 ＝0.00059 （3）槽有效面积 ＝0.00158 （4）槽满率 ＝ 0.78 (符合要求) 24. 绕组系数 （1）分布系数 ＝ （2）短距系数 ＝1 所以 ＝10.9254＝0.9254 25. 每相有效串联导体数 ＝480.9254＝ 44 3.3.4.2 磁路计算 26. 初设 ＝0.975，则：
E1=KE′UNΦ=0.975×690=672.75V 27. 计算每极磁通 初设饱和系数 查得 ＝＝0.0868 Wb 其中 ＝＝408.62 V 28. 每极齿部接截面积：
定子 ＝＝0.06984 转子 ＝＝0.07487 29. 定子轭部计算高度 ＝ ＝0.1369 m 转子轭部计算高度 ＝ ＝0.0962 m 轭部导磁面积 ＝0.950.3250.1369＝0.0423 ＝0.950.3250.0962＝0.0297 30. 空气隙面积 ＝＝0.14729 31. 波幅系数 ＝＝1.39 气隙磁密 ＝0.8192 T 32. 定子齿磁密 ＝＝1.7276 T 33. 转子齿磁密 ＝=1.6115 T 34. 定子轭磁密 ＝ =1.0260 T 35. 转子轭磁密 ＝=1.4613 T 36. 空气隙磁密 ＝=0.8192 T 37. 根据D23曲线及 数据查出磁场强度 (单位 ：) 38. 轭部磁路计算长度 定子 ＝＝0.1104 m 转子 ＝＝0.2608 m 39. 有效气隙长度 ＝ ＝1.18 m 半闭口槽和半开口槽 ＝1.164 40. 齿部磁路计算长度 ＝0.0827 m ＝0.1447 m 齿部磁压降 定子 ＝=697.99 A 转子 ＝=590.38 A 41. 轭部磁压降的计算 = =0.3118，=1.0260 T；
于是查得 ＝0.846；

＝＝0.2148，＝1.4613 T；
于是查得 =0.212 定子 ＝=38.11 A 转子 ＝=91.78 A 42. 空气隙磁压降 ＝ =7780.95 43. 饱和系数 ＝1.17 与假设系数比较 ，误差 ＝＝0.85％ < 1.0％，合格。

（此值与31项中假定值相符，否则重新假定并计算31～43项中有关各量，要求精确误差部大于） 44. 总磁压降 ＝7780.95 + 697.99 + 590.38 + 38.11 + 91.78 = 9199.21 45. 满载磁化电流 ＝ =613.63 A 46. 满载磁化电流表么值 ＝ =1.222 47. 励磁电抗表么值 ＝0.818 3.3.4.3 参数计算 48. 线圈平均半匝长（见图附2） 定子线圈节距 ＝=0.949 m 平均半匝长（单层线圈）＝＝1.474 m 式中 是经验系数，2极取1.16 。

49. 漏抗系数 = =0.08067 50. 定子槽比漏磁导 =1.017＋0.866＝1.883 51. 定子槽漏抗 ＝0.846 无径向通风时 ＝0.325 m 52. 定子谐波漏抗 ＝1.124 53. 定子端部漏抗 单层交叉式 ＝0.764 54. 定子漏抗 ＝（0.846＋1.124＋0.864） ＝2.8340.08067＝0.2286 55. 转子槽比漏磁导 ＝（由手册查出）。

＝ 2.826 56. 转子槽漏抗 ＝1.644 无径向通风道时 ＝0.325 57. 转子谐波漏抗 ＝（） ＝0.316 58. 转子端部漏抗 =0.329=0.612 59. 转子斜槽漏抗 ＝0.413 60. 转子漏抗 ＝(0.644+0.316+0.872+0.6243)=3.456 =0.2788 61. 总漏抗 ＝0.2286+0.2788=0.5074 62. 定子直流电阻 ＝1.913 式中：对级绝缘——铝的为 铜的为 63. 定子相电阻表么值 ＝2.411 64. 有效材料 定子导线重量 ＝ 204.39 Kg 式中 C为考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铝线取1.1，为导线密度，铝为。

65. 转子电阻 导条电阻折算值 ＝1.124 式中 是叠部整齐造成导条电阻增加的系数，铸铝转子=1.04. 为电阻率——对级绝缘铸铝为。

端环电阻折算值 ＝0.862 导条电阻表么值 ＝1.416 端环电阻表么值 ＝1.086 转子电阻表么值 ＝1.086＋1.416＝2.502 3.3.4.4 工作性能计算 66. 满载时定子电流有功分量标么值 ＝=1.0417 67. 满载时转子电流无功分量标么 ＝0.6247 ＝=1.6203 68. 满载时定子电流无功分量标么值 ＝1.222+0.6247 =1.8494 69. 满载电势标么值 ＝0.975 此值与28项中假设值相符。

70. 空载电势标么值 ＝＝0.924 71. 空载时定子齿磁密 ＝1.524 T ；
＝22.54 A/cm 72. 空载时转子齿磁密 ＝1.384 T；

＝11.86 A/cm 73. 空载时定子轭磁密 ＝1.337 T；
＝10.0 A/cm 74. 空载时转子轭磁密 ＝1.296 T；
＝8.97 A/cm 75. 空载时气隙磁密 ＝0.7218 T 76. 空载定子齿磁压降 ＝428.42 A 77. 空载转子齿磁压降 ＝414.36 A 78. 空载定子轭磁压降 ＝486.94 A 79. 空载转子轭磁压降 ＝214.68 A 80. 空载气隙磁压降 ＝4014.32 A 81. 空载总磁压降 ＝5558.62 A 82. 空载磁化电流 ＝46.59 83. 定子电流标么值 ＝=1.177 定子电流实际值 ＝613.57 A 84. 定子电流密度 ＝3.098 85. 线负荷 ＝44251 A/m 86. 转子电流标么值 ＝1.1375 A 转子电流实际值 ＝618.64 A 端环电流实际值 ＝1496.21 A 87. 转子电流密度 导条电密 ＝32.55 端环电密 ＝24.03 88. 定子电气损耗 ＝0.043 ＝684.36 W 89. 转子电气损耗 ＝0.034 ＝564.65 W 90. 附加损耗 铜条转子 ＝425.87 W 91. 机械损耗 可参考实际试验值 92. 定子铁耗 （1）定子齿重量 ＝42.45 Kg （2）定子轭重量 ＝68.47 Kg （3）损耗系数 （查） （4）定子齿损耗 ＝142.36 W （5）定子轭损耗 ＝486.35 W （6）定子铁耗 ＝564.13 W 铁耗校正系数 2.5（半闭口槽），3.0（开口槽） 2 （半闭口槽），2.5（开口槽） 铁耗标么值 ＝0.021 93. 总损耗表么值 ＝0.1143 94. 输入功率 ＝2.8423 95. 效率 ＝=0.9594 96. 功率因数 ＝=0.8803 97. 转差率 ＝ 2.85% ＝0.0122 98. 转速 ＝1490 r/min 99. 最大转矩 ＝2.45 结束语 通过将近一个学期的毕业设计，使我学到了很多东西。以前只是理论上的知识，经过这次大型的毕业设计，第一次让我学会了如何单独完成设计任务、查找资料。也让我懂得了科学是一门实实在在的学问。它来不得半点虚假，它要求我们一步一个脚印地做好每一步工作。

本次毕业设计的课题是风力发电机的设计及风力发电系统的研究,虽是单一课题但是它涉及的知识面非常广，其中有许多以前不曾接触过的东西。因此，刚开始拿到课题的时候不知如何下手，脑子也是一片空白。然而，经过两周多地大量阅读参考资料、复习专业书、多次请教老师和同学以后，逐渐对课题内容有了较深的认识，从而基本上掌握了风力发电机的工作原理，设计思路，以及设计时应注意的各种问题和解决问题的方法。在作了大量的准备工作之后，我自己设计出了一套计算程序，初步确定了电磁设计方案，经过三个星期的努力，完成了电磁计算，计算出的各项指标均符合要求。

经过这么久的设计虽然很累，压力也很大。但看到我自己的工作结果。我感到很欣慰。我相信只要有付出就会有回报。经过这么久的设计，提高了我独立思考、独立解决问题的能力。懂得了做学问一定要沉下心来认真做。自学能力有了大大的提高，为我以后的工作奠定了基础。

参考文献 [1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社.2000，264～277 [2] 秦晓平，王克成．异步电动机的双馈调速和串级调速[M].北京：机械工业出版社.1996,122～143 [3] 汤蕴缪，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社.2000，141～143 [4] 张文书.三相异步电动机和发电机计算机辅助设计[J].电机技术,1996，（3）：122～135 [5] 张希良.风能开发利用.北京：化学工业出版社. 2004，3～7 [6] 潘文霞，陈允平，沈祖治.风力发电机的发展现状[J].中小型电机,2001,28（4）：38～41 [7] 连继中，马维林.双馈异步发电机在风力发电中的应用[J].防暴电机,2002，（3） [8] 茹俊卿.新能源发电技术概述[J].河北电力技术,2001，（1）：11～14 [9] 吴刚，李小明.大型风力发电机的典型控制策略[J]. 新疆工学院学报,2000，21（3）：38～42 [10] 潘文霞，陈允平，沈祖治.风电系统及电压特性研究[J]. 河海大学学报,2001，29（1）：25～27 [11] 刘家澄.我国风电场装机现状[J].可再生能源, 2000，（8）：33～38 [12] National Renewable Energy Laboratory(NREL). Wind Energy Resource Atlas of the United States. 2003，58～62 [13] 王长贵，崔容强，周篁. 新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社. 2003，208～215 [14] Slootweg J G，Polinder H，Kling W L．Dynamic Modelling of aWind Turbine with Doubly Fed Induction Generator[C]．IEEEPower Engineering Society Summer Meeting，Canada，2001，7 （15）：23～31 [15] 田德，郭凤祥，刘树民等.聚能型风力发电机的研究[J].农村能源,1998,(2)：27 ～ 29 [16] 姚兴佳.发展中的沈阳工业大学风能技术研究所[J] .农村能源, 1998,(4) ：32 ～ 33 [17] 尹炼.风力发电—一个有前途的发电方式[A] .中国农村电气化学术文集[C] , (1978 —1998) ：63～65 [18] 王效良.并网风力发电机组电控系统的设计.[J]电力系统自化,1997 ,21(2) ：55 ～56 [19] 于宗焕.我国风力发电现状与趋势[J ] .农村电气化,1999, (1)：27 ～ 28 [20] 陈星莺，刘孟觉，单渊达.超导储能单元在并网型风力发电系统的应用[J].中国电机工程学报，2001，21(12)：63～66 致 谢 本毕业设计的全部工作是在XXX老师的悉心指导下完成的，论文的字里行间凝聚着邓老师的汗水和心血。在此由衷地感谢XXX老师在整个设计过程中对我指导及同学的帮助，是他们帮助我顺利地完成了整个设计。同时也感谢图书馆的工作人员热情的服务，为我查找资料提供了方便。最后感谢学校领导的监督与支持和家人的大力支持与鼓励！ XXX XXXX年XX月XX日