最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用.doc

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1、本科毕业设计（论文）最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用*燕 山 大 学年 月 摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视。近年来人类所取得的高新科学技术应用于风力发电系统中，不断提高风能的变换效率和质量，具有十分重要的意义。风能资源属于自然现象，所以对风力资源的开发和利用具有许多不便的方面。本文主要研究变速风力发电系统最大功率点的跟踪问题，以使风力机在处于额定风速以下时能够实现最大风能捕获。风力发电系统所采用的功率变流器和

2、最大功率点的跟踪控制策略提供了基本的研究平台，以完成本课题的研究。为了将风能输送给电网，变速风力机要有变流器将发电机发出的电压和频率都不断改变的电能转换成恒频恒压的电能，再传输给电网。本文采用了变速风力机，永磁发电机，三相AC-DC-DC-AC变流器，变压器等构建了变速风力发电系统。鉴于DC-DC直流环节在能量传输中的重要性，本文专门研究了Boost变换器在变速风力发电系统中所起的作用。本文接着阐述了变速恒频风力发电系统最大功率输出原理，分析对比了几种常见的风能跟踪算法，对爬山算法进行了着重研究。关键词：变速风力机，永磁发电机，最大功率点跟踪，AC-DC-DC-AC变换器，Boost变换器最后

3、用matlab仿真工具建立了风力发电控制系统的仿真模型，实现风力机最大功率点追踪MPPT(Maximum Power PointTracking)控制。AbstractThe environment，energy are urgent problems of survival and development of humanMainly，Conventional energy are coal oil and natural gasIt is not only restricted，but also causing serious air pollutionTherefore，the util

4、ization of renewable energy especially wind power development is regarded by many country in the worldIn the recent year，the human used hightech applied to wind power system，Continuously improving the efficiency and quality of the wind power have great significanceWind energy resources belong to the

5、 natural phenomenon，So the development and use of the wind resource have many inconvenience.This thesis focuses on the problem of maximum power point tracking for achieving the maximum wind energy tracking of variable speed wind turbine power generation systems atlow wind speedPower electronic conve

6、rters and maximum power point tracking strategys in wind generator systems provide the basic platform to accomplish the research of this thesisIn order to send wind energy to a utility grid，a variable speed wind turbine requires a power electronic converter to convert a variable voltage variable fre

7、quency source into a fixed voltage fixed frequency supplyVariable speed wind turbine、permanent magnet generator、three-phase AC-DC-DC-AC converter as well as transformer,are introduced in the thesis for establishing variable-speed wind energy conversion systems.Furthermore，as the important section of

8、 DC link to deliver power of energy in the converter system,Boost converter are introduced and specifically analyzed in this thesisSecond，introduced the principle of maximum power output of VSCF wind power generation system，analyzed and compared of several familiar wind power tracking algorithm，espe

9、cially climbing algorithmAt last，set up the wind power system model by matlab tool，and achieved wind turbine maximum power point tracking(MPPT)Keywords：Variable speed wind turbine，Permanent magnet generator,Maximum power point tracking，ACDCDCAC converter,boost converter 目 录摘要4Abstract5第1章 绪论91.1 课题背

10、景91.1.1 全球风电产业的发展现状及前景91.1.2 我国发展风力发电的必要性101.2 风力发电技术的现状及发展131.4 论文的内容安排161.4.1主要研究工作161.4.2论文结构安排17第2章 风力发电系统介绍182.1 风力发电的理论基础182.2 风力发电机的组成结构212.3 风力机的分类及功率控制方法222.4 本章小结25第3章 最大功率点跟踪控制系统的设计263.1 最大功率点跟踪算法的分类263.1.1 叶尖速比控制算法Tip-SpeedRatio(TSR)Control263.1.2 功率信号反馈算法Power Signal Feedback(PSF)Contro

11、l273.1.3 登山搜索算法Hi ll-climb Searching(HCS)Control283.2 最大功率点跟踪控制系统的设计313.3 本章小结37第4章DCDc变换器的设计384.1 DC/DC变换器概述384.2 DC/DC变换器参数设计及其仿真394.3 本章小结42第5章变速风力发电系统的仿真与分析43第1章 绪论1.1 课题背景目前，作为世界能源主要支柱的石油、天然气、煤炭等不可再生资源的储量非常有限。近年来在世界能源消费构成中，占能耗比重展大的是石油，其次是煤和天然气，这些都是非可再生能源资源。已探明的石油储量将于2010-2035年耗掉800；而天然气和煤，从现在算起

12、。天然气只能再用40-80年，煤可再用200-300年。随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。据美国能源信息署(EIA)统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为2156亿吨2001年达到2390亿吨，2010年为2772亿吨预计2025年达到3712亿吨，年均增长185。稳定、可靠和清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障，石油、天然气、煤等化石能源在上两个世纪无疑促进了人类文明的进步和发展。但是，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感受到了环境恶化的威胁，能源危机及其

13、带来环境污染成为阻碍人类进一步发展的桎梏。因此必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发洁净绿色的可再生能源，研究风力发电、太阳能发电、生物质能、海洋能发电等环保型可再生能源。全球已有35个发达国家和100个发展中国家制定了全国性的可再生能源的发展目标。1.1.1 全球风电产业的发展现状及前景在政策的鼓励下，2003-2007年，全球风电平均增长率为247。2007年，全球大约生产了2000亿千瓦时风电电力，约占全球电力供应的1，全球风电新增装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。2008年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。作为能源领域增长最快的行业，

14、风电行业共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元。目前在全球范围内，欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机容量最大的国家，装机容量超过2000万千瓦，美国和西班牙也都超过了1000万千瓦。印度是除美国和欧洲之外新增装机容量最大的国家，装机总量也超过了600万千瓦。风电与火电等传统电力相比，最大的竞争劣势就是成本较高、经济性不好。经过30年的努力，随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4-6美分。在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力

15、匹敌。尽管风电还存在着如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展等方面的问题，但在市场逐步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显、特别是政策环境前景非常明朗的情况下，世界各国都对风电发展充满了信心。全球风能理事会对风力发电的成本下降进行了研究，认为风力发电的成本下降60依赖于规模化发展，40依赖于技术进步。估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降20-25，海上风机的造价可以降低40以上，发电成本可以同幅下降。欧美都公布了2030年风电发展目标，提出了2030年风电满足20甚至更多电力需求的宏大目标，届时都将发展约3亿千瓦的规模，这也为全球风电的长期发展定

16、下了基调。国际能源署2008年颁布的(2050年能源技术情景判断，2010-2050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。随着风电技术的同趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化发展态势。 1.1.2 我国发展风力发电的必要性人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，以后则是电能。我国利用风能的历史悠久，迄今已经有数千年，是世界上利用风能最早的国家之一。远在三千年前，就有了风帆航运，在一千七百年前发明了帆布风车提水机，主要用于农田灌溉、盐池提水、风力磨粉等。随着中

17、国经济发展的提速，社会发展日新月异，人民生活水平不断提高，但是这很大程度上是以牺牲大量资源、破坏生态环境为代价的。我国能源发展面临的问题日益突出，概括起来主要有四个方面：(1)能源资源总量少，优质资源尤其短缺中国人均拥有能源只有世界平均值的40，特别是中国石油资源量严重不足，最终可开采储量仅占世界石油可采储量3左右，剩余可开采储量仅占世界剩余可开采石油储量的18。因此，中国能源供应将面临长期后备资源不足，特别是优质能源短缺的问题。(2)能源利用技术落后，能源利用效率低目前，中国在能源利用技术方面与世界其他国家存在着较大的差距，能源效率仅为32，约低于世界平均水平10个百分点；单位GDP能源消耗

18、是美国的3.5倍、日本的9.7倍，是世界平均水平的3倍。(3)环境污染问题日益严峻中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家。目前能源消耗构成中煤炭占67，过分依赖消耗煤炭能源造成了严重的煤烟型环境污染。中国每吨标准煤的能源消耗，排放的温室气体比世界平均水平高出50。在不远的将来，中国将在排放总量上超过美国，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。据专家预测，为实现中国2020年国民生产总值翻两番的目标，能源供应至少要翻一番，2020年中国仅用发电的煤耗将需要近14亿吨标煤，能源供应需求量将超过30亿吨

19、标准煤。面对如此巨大的能源需求和“石油供求不足，煤炭接近开采极限的严峻形势下，调整能源结构和大规模开发可再生能源成为当务之急。世界风能总量为210”，大约是世界总能耗的3倍；如果风能的l被利用，则可以减少世界3的能源消耗。风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增长率达到27。风能产业将作为新兴产业在未来20年高速增长，是可再生能源发展的重点，也是最有可能大规模发展的能源之一。国际能源专家预言：2l世纪是风力发电的世纪，绿色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。我国具有非常丰富的风力资源，国家非常重视风电

20、产业的发展。利用风能来发电，能减少环境污染、保护气候资源，使人类的健康和地球上的生命免受不良影响。我国发展风电的必要性主要体现在以下几个方面：(1)实现能源多元化，调整我国当前能源结构目前，我国可开发和利用的风力资源储量约为10亿k，而目前我国风力发电仅占全国电力装机容量011。根据国家发改委的长期产业规划，中国的风电装机规划为2005年完成100万k，2010年500万k，2015年i000万k，2020年3000万k，届时风电装机占全国电力装机的2。因此，风力发电作为成熟技术的优势对缓解我国电能紧张、改善我国能源结构有重要作用。(2)通过自主研发，提升风力发电机组的国产化率和行业竞争力我国

21、风力发电起步较晚，目前全国已建成60多个风电场，装机规模达到了100多万kW，装机量以每年20以上的速度递增。目前风电机组主要制造商集中在欧美国家，我国大部分风力发电机依靠进口。如2004年我国764万kW的风电装机容量中，82的设备来自进口，其中丹麦NECMICON公司的产品就占到中国总装机容量的30；而大部分国产风力机组，其技术也主要靠国外引进。因此，研究具有自主知识产权的风力发电系统具有极大的产业化和市场发展前景，同时能够提高我国风力发电的技术水平，提高我国风电行业在国际上的行业竞争力。(3)减少能源损耗，减少温室气体排放风能属于可再生能源，风电作为一种温室气体零排放的替代能源技术，被广

22、泛认为有可能在未来取代传统的化石燃料，选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势。经过计算，平均每装一台单机容量为l兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳(相当于种植276平方千米的树木)、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，我国在这种国际形势下更应该加大对风能利用的研究。(4)在解决偏远边区用电、脱贫致富方面发挥重大作用。我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸难以解决供电问题。这些地方一般使用柴油或汽油发电机组供电，发电成本相当

23、高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。如果能够充分利用该地区的风力资源来解决无电、缺电问题，将大量节约燃料和社会资源，同时还能减少环境污染，有着十分显著的经济效益和社会效益。地球上风能资源蕴藏丰富，是一种清洁、廉价的可再生能源。近年来，可再生能源利用的迅猛发展特别是风力发电的高速增长引起了能源界的高度重视。大力发展风力发电必将对我国的能源结构产生积极的影响，为中国实现可持续发展做出突出贡献。我国政府己通过立法将可再生能源纳入国家可持续发展战略，开发新能源尤其是风能资源已成为中国实现可持续发展的关键。 1.2 风力发电技术的现状及发展在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有：1、定桨距风

24、力发电技术定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负载)的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但

25、对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题：20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距(失速型)风力发电机组在近20年的风能丌发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术。2、变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性

26、能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电组的功率调节对高频风速度变化仍然是无能为力的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机转

27、速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反尔有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变

28、化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。3、变速恒频发电技术 变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。变速风力发电机组

29、的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。目前具有变速恒频发电技术的机组主要有：1、双馈型风力发电机组双馈异步发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。风力机的机械速度足允许随着风

30、速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范刚内均有最佳功率系数。因此双馈异步发电机具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点，在风力发电技术中，由于双馈发电机能变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接从而大大缓解了机组轴系的机械应力并降低了系统成本。与此同时，采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率。因此目前双馈发电机己经成为主流的风力发电机。2、无刷双馈发电机组双馈无刷发电机定子有两套级数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电

31、网，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。3、高速同步发电机组在同步发电机和电网之间使用变频器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决，变频器的使用，使风力发电机可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力，通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，而控制电磁转矩可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。同步发电机经全容量变频器接入电网实现变速恒频发电。除

32、具有变速恒频运行、有功无功独立可调以及良好的运行稳定性以外，同步发电机还具有以下特点：电机制造技术成熟、运行可靠且无需定期维护，特别适用于海上风电场等维护与检修困难的场合；交直交变频器中的交一直变换可采用二极管整流+直流斩波，结构简单；发电机发出的全部功率均通过变频器，较双馈风力发电系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩。因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能做出更快的响应。4、低速永磁直驱发电根据风能资源的特点，风力机通常以转速(2030rm

33、in)旋转，而常见的风力发电机由于极对数较小因此额定转速较高(如：4极电机额定转速为l 500rmin)。为连接转速不同的风力机与发电机，采用转速比较高的(如l：50)齿轮箱传动装置不可避免。齿轮箱传动装置的引入不但增加了系统的技术要求和成本，同时还降低了系统的可靠性。永磁直驱或半直驱风力发电机采用永磁材料并通过适当的设计提高发电机极对数以减小发电机额定转速，从而实现风力机直接驱动或通过低转速比齿轮变速装置半直接驱动发电机。与双馈风力发电机与变速感应风力发电机相同，永磁直驱或半直驱风力发电机也具有变速恒频发电、有功无功独立调节等优点，此外这类发电机还具有以下特点：降低了机械传动的要求，减小系统

34、成本并提高运行可靠性：采用永磁材料，发电机能量密度高，重量轻，效率高；无碳刷与滑环，运行可靠，维护工作量小。 1.4 论文的内容安排 1.4.1主要研究工作1、掌握直驱永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制的原理2、利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器3、建立数学模型。4、利用/软件对设计的电路进行仿真研究 1.4.2论文结构安排第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前景。第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力发电系统的一些重要特性参数，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析

35、比较了采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法。针对直驱永磁同步发电系统提出了一种爬山搜索控制策略。第四章利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器。针对DC/DC变换选用了boost升压电路，然后对变换阻抗的DCDC变换器进行了具体设计。第五章 第2章 风力发电系统介绍2.1 风力发电的理论基础风能的计算，由流体力学可知，气流的动能为E=1/2mv2(2-1)式中E：气流动能m：气流质量v：气流速度设单位时间内流过截面积为S的气体的体积为V，如果以p表示空气密度，则该体积的空气质量为m=v=Sv(2-2)这时气流所具有的动能为 E=

36、1/2Sv3(2-3)式中E：风能：空气密度S：截面积v：气流速度由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。贝兹定理：由风力机气动理论一贝兹定理，假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力，此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。分析理想风轮在流动大气中的情况，如图2-1所示：图2-1风轮在流动大气中的情况 ：距离风力机一定距离的上游风速；v：通过风轮时的实际风速；v2：离风轮远处的下游风速；设通过风轮气流的上游截面积为，下游截面积为是。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而

37、v2必然低于，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即是大于。假定空气是不可压缩的，由连续条件可知：S1v1=S2v2=Sv(2-4)风作用在风轮上的力可由Euler理论写出F=Sv(v1-v2)(2-5)式中F：作用力故风轮吸收的功率为P=Fv=Sv2(v1-v2)(2-6)式中P：吸收的功率此功率是由动能转换而来的，从上游到下游动能的变化为E=1/2Sv(v1-v2)(2-7)令P=E，可以得到v=(v1+v2)/2(2-8)作用在风轮机上的力和提供的功率可写为F=1/2Sv(v12-v22)(2-9)P=1/4Sv(v12-v22)(2-10)对于给定的上游速度，可写出以为函数的

38、功率变换关系，将上式微分得到：dP/dv2=1/4Sv(v12-2v1v2-3v22)(2-11)令dP/dv=0，求解可得到：v2=v1/3，将其代入P的表达式，得到最大功率为：Pmax=8/27Sv13(2-12)最大风能利用系数Cpmax=Pmax/(Sv13)= (2-13) 这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。应此，风力机实际风能利用系数q0.593，目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0.4-0.5。风轮实际能得到的有用功率输出为

39、P=Sv3CP(2-14)除了风能利用系数外，风力发电机还有两个非常重要的参数：叶尖速比和桨距角：叶尖速比是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。= R/v(2-15)其中：风轮的转速R：风轮半径v：风速桨距角是指风轮叶片上某一点的弦线与叶片旋转平面间的夹角。定桨距风力发电机的桨距角在安装时固定，不能变化。而变桨距风力机的桨距角可以随着风速变化而变化，以限制功率的增加。2.2 风力发电机的组成结构风力发电系统由风轮、传动系统、发电机、偏航系统、液压系统、机舱、电控系统、整流逆变系统、塔架等部件组成。结构如图2-2所示：图2-2 风力发电机结构图1.叶片2

40、.叶轮毂3.机头4.主轴5.齿轮箱6.发电机7.风向风速仪8.整流器9.偏航机构10.塔架11.变电箱(1)风轮：由叶片和轮毂组成，是风力发电机组获得风能的关键部件，将捕获的风能转变为机械能。(2)传动系统：将风轮捕获的机械能传递到发电机。传动系统包括主轴、主轴承、增速箱、刹车机构等部件。(3)发电机：将机械能转变为电能。(4)机舱：由底盘和机舱罩组成。(5)偏航系统：偏航系统根据风向标接受的信息，由控制系统自动执行机舱的偏转，使风轮始终处于迎风状态。偏航系统主要包括以下三个部分：偏航检测和控制、偏航驱动和偏航制动。(6)液压系统：完成偏航制动、主轴制动和主轴润滑。(7)塔体和基础：塔架是支撑

41、机舱的结构部件，它使风力机风轮处在较为理想的高度上运转，也是安装维护人员上下机舱的通道。(8)电控系统：完成整个发电机组的控制、电压并网和远程通讯等控制功能。主要由主控制器、调桨控制器、机舱控制器组成。(9)整流和逆变系统：完成电力变换。2.3 风力机的分类及功率控制方法按照并不并入电网，风力机可分为并网型和离网型。并网型发电机组功率较大，直接并入电网。离网型主要用于电网到达不了的偏远地区如牧区、海岛、高山等场所，离网型风力发电机组的功率较小，通常不超过10K。按照主轴相对于地平面的方向，分为水平轴和垂直轴两种型号。现在大多数的风力发电机都是水平轴三叶片的风机，垂直轴的风机由于叶片固定，功率不

42、易控制，商业应用很少。目前的水平轴风力发电机按照转速和功率调节方式的不同可以分为以下几种：(1)定桨距失速调节型定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大小,发电机)。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，风速变化引起的输出功率变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任

43、何控制，使控制系统大为减化。其缺点是与变桨距风机相比叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。(2)变桨距调节型变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45，以获得最大的起动力矩。当转速达到一定时，再调节到0直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持为0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组一般采用最大功率跟踪控

44、制技术，即根据风速大小调整风轮转速，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速大小进行自动调节，因此能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。(3)主动失速调节型风力发电机组将被动失速和变桨距调节两种风力发电机组的优点相结合，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，

45、桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳。(4)变速恒频风力发电机组风力机产生的功率与风速和发电机转速密切相关，而且在一个特定风速下存在一个最优转速，使得风力机获得的功率最大。因此对于风能系统而言，如果可以根据风速的变化对发电机转速进行控制以使风轮捕获到最大的风能，会对风能系统的整体效率有相当大的提升。另一方面，通过及时调整风轮转速可以吸引强烈阵风带来的风能扰动，将扰动能量

46、暂时储存到转子惯量上作为缓冲，相当于增加了风机的“弹性，因此可以减少传动系统所承受的冲击应力。变速恒频是指在风力发电的过程中发电机的转速可以跟踪风速变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段(AC-DC-AC或AC-AC变频器)来保证与电网同频率后并入电网。在额定风速以下时主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度吸收风能，因而效率较高，但控制系统较为复杂。据统计，采用变速恒频风力系统，在风轮直径和风能资源相同的条件下，年发电量比恒速恒频系统可

47、增加20-30。，因此目前的大型风力发电机都采用此种方式。变速恒频通常结合变桨距实现额定风速以下和额定风速以上两个阶段的功率控制。在额定风速以下桨距角设置为0，调节风轮转速，使转速跟随风速变化，获得最大的风能；在额定风速以上，由于传动系统负荷增加，调节范围窄，因此主要依靠变桨距调节来改变叶片的角度，从而改变风能利用系数的值，将功率调整在额定功率，保证功率平稳输出。目前的变速恒频风电系统，按照励磁方式不同，最常见的两种是双馈感应风力发电机和永磁同步风力发电机。双馈式系统采用电励磁，研究比较早，技术也比较成熟，但是由于使用的是异步发电机，要求较高的转子转速，而风轮转速很低，直接用风轮带动双馈电机转子满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须引入增速齿轮箱升速后，再同双馈发电机转子连接进行风力发电。齿轮箱随着发电机组功率等级升高，成本变的很高，且很容易出现故障，需要经常维护，可靠性差，加入齿轮箱也影响了传动系统的效率，同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率要求也在不断提高，齿轮箱的存在严重限制了风力发电机的发展。直驱永磁风力