风力发电机设计论文.doc

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1、小型家用风力发电机并网逆变器设计摘要化石燃料发电在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等气体，污染大气，促使地球变暖，产生酸雨等，造成全球范围的环境污染。风能则不然，它本身不含任何污染物，是一种清洁原，料，在风电生产过程中也不产生任何污染物，而且风力资源的分布又遍及世界各地，是一种可再生能源，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型家用风力发电并网器逆变设计方案，对风力发电机的结构和电能的变换及逆变电路做了深入的研究。本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC-DC-AC变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电

2、池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。本文的内容就是在风力发电技术的背景下，根据风力发电系统的特点研究其并网逆变器。直驱型永磁同步风力发电机组是以变速恒频的形式发电的，实现变速恒频的方案有很多，而永磁同步发电机在交直交风力发电系统中最有优势，所以采用了交直交风力发电系统。直驱型风力发电系统变流技术种类多，方案灵活，本文通过综合比较选用了不可控整流器、Boost电路、电压型PWM逆变器结构的并网方案。并网逆变器种类繁多，层出不穷，不同的应用场合，对逆变器的性能要求也不相同。并网逆变器在控制策略上

3、采用瞬时电流跟踪控制技术，把电网电流波形作为指令信号，把逆变器实际输出的电流波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定全控型器件的通断。最后，基于DSP控制技术，把TMS320F2812芯片作为逆变器控制系统的核心，通过该芯片中的PWM电路和比较单元产生PWM波形来控制逆变电路中全控型器件的通断，采用锁相环(PLL)控制技术来保证并网电流与电网电压同频同相，对控制系统进行了硬、软件的设计。关键词：风电发电；并网逆变器；控制技术；DSP技术ABSTRACTFossil fuels in power generation in the combustion process produces a

4、large amount of gases such as carbon dioxide,nitrogen oxides,sulfur oxides,polluting the atmosphere,global warming,acid rain,caused environmental pollution on a global scale. Wind energy is not,it itself does not contain any contaminants,is a clean raw material in wind power production process does

5、not produce any pollutants and wind distribution of resources throughout the world,is a renewable,wind power is gradually becoming a sunrise industry. This paper sets out details of small household inverter for grid-connected wind power design,structure and transformation of electric energy of wind

6、power generator and inverter circuits have done in-depth studies.This paper presents the solution for the wind turbine driven single-phase AC generator,then transform standard AC power needed for the user through the ac-dc-ac,and taking into account the instability of the wind,incorporated into the

7、battery pack in the system,through the control circuit monitoring system control to ensure that the system can be in the wind sufficient energy storage,can also be in the wind is not sufficient to supply the load. The system operational status of the relay control circuit monitoring and switching.Th

8、e content of this article is in the context of wind power technology,according to the characteristics of its wind power system grid-connected inverters. Direct-drive permanent-magnet synchronous wind turbine generator is in the form of variable speed constant frequency generation,implementation of v

9、ariable-speed constant-frequency plan has a lot,in AC-DC permanent magnet synchronous generator in wind power systems have the most advantage,so using a vertical wind turbine power generation systems. Direct-drive wind power generation system with variable flow technology variety and flexible soluti

10、ons,through the integrated use of this article is not available Boost circuit voltage-type PWM rectifier control structure scheme of grid-connected inverters. Grid-connected inverter is a wide range of emerging,different applications,the performance of the inverter is not the same requirements. Grid

11、-connected inverter control strategy on the instantaneous current tracking control technology,the grid current waveform as the command signal,the inverter output current waveform as the feedback signal by the instantaneous value of the two to determine the full-controlled devices on-off.Finally,base

12、d on DSP control technology to TMS320F2812 core chip as the inverter control system,full-controlled devices in the inverter circuit to control off the PWM circuit in the chip and compare unit to generate PWM waveform,using phase-locked loop control technology to ensure that the grid current and grid

13、 voltage is the same frequency and phase,the control system hardware and software design.Key words: wind power generators; rectified; power inverter目 录摘要.IABSTRACT.II目录III第1章 绪论11.1 风力发电概述11.1.1 风力发电动向与现状11.1.2 风力发电机的生产及运行情况31.1.3 我国风力发电现状及展望31.2 风力发电技术的分类41.3 论文主要内容4第2章 风力发电系统62.1 风力发电系统组成部分62.1.1

14、风力发电机组的类型62.1.2 风中蕴含的能量62.1.3 风力机的功率62.2 风力发电系统的并网运行72.2.1 不同类型风力发电机组的并网72.2.2 直驱型与双馈型风力发电机组的并网比较82.3 交-直-交风力发电系统92.4 风电并网对电网稳定性的影响9第3章 逆变器的基本概念及原理103.1 风力发电系统的结构与工作原理103.2 整流器的概念及原理103.3 直流升压变换电路103.3.1 直流升压变换电路的原理103.4 逆变电路的原理.113.5 逆变器的控制技术113.5.1 逆变器控制技术的发展113.5.2 跟踪控制法143.5.3 本文采用的控制方法163.5.4 锁

15、相环技术173.6 小结18第4章 基于DSP的控制系统的硬、软件设计194.1 DSP技术及DSP芯片194.1.1 DSP技术的发展和特点194.1.2 DSP芯片的特点194.2 逆变器控制系统的硬件设计204.2.1 DSP硬件电路214.3 逆变器控制系统的软件设计234.3.1 CCS软件介绍234.3.2 SPWM控制算法234.3.3 PWM波形的实现编程254.3.4 DSP控制系统软件实现流程274.4 小结27第5章 结论28致 谢29参考文献30附录A 英文参考文献32附录A 英文参考文献35附录C 主要源程序37第1章 绪论1.1 风力发电概述近些年来，随着经济的发展

16、，世界范围内对能源需求持续增加，全球油价维持高位，天然气价格不断攀升，化石燃料使用带来的环境问题日益突出。从20世纪70年代以来，各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于新能源的开发，寻求一条经济的、可持续发展的道路。在各类新能源中，风力发电技术相对成熟、最具大规模商业开发条件、成本相对较低，具有巨大的优越性，受到各国的普遍重视，目前已经发展成为一个成熟的产业。化石燃料发电在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等气体，污染大气，促使地球变暖，产生酸雨等，造成全球范围的环境污染。风能则不然，它本身不含任何污染物，是一种清洁原料，在风电生产过程中也不产生任何污染物,而且风力资源的分

17、布又遍及世界各地，是一种可再生能源。80年代，以美国加州和丹麦为代表，一些国家和地区相继建起了风力发电场。进入90年代，风力发电机组开始大型化起来，数百千瓦规模的便成了主流。目前，由于风力发电技术的日趋成熟以及环保方面越来越严格的要求，不少国家和地区已在巧妙地运用风力资源，风电业方面的投资也越来越多，节能洁净型的风力发电方式已受到人们的积极关注。风能资源作为一种非常清洁的可再生能源，风力发电逐渐在世界范围内得到重视，引发了世界各国的研究热潮，风力发电技术因此也逐渐成熟起来，在未来有望成为可大规模投入发电的可再生能源技术，风电将成为替代化石燃料发电的清洁能源。我国的风能总储量大,无论陆地还是近海

18、都有大量可用于发电的风能资源，在政府对风能开发的关注和一系列政策的推动下，中国的风力发电的装机容量每年都在增加。无论是双馈式变流器还是直驱式变流器，最终风机转化的能量都要并入电网，随着风电装机容量的提高，大量的风能并入电网，必然对电网的电能质量产生影响，因此对并网逆变器的要求越来越高，对并网逆变器的研究也有广阔的前景。1.1.1风力发电动向与现状在电力新能源中，风电是发展速度最快的。近十年风力发电增长迅猛，全球风电的年平均增长率一直保持在29左右。全截止到2007年底，全球风电装机总容量已超过94000Mw，当年新增装机容量20076Mw，累计装机容量从2006年的74141Mw增至94123

19、Mw，是1997年的12倍。2008年全球范围内新增风电装机容量2705万kW，使得全球风电装机容量达到1.20亿kW，较2007年增长28.8。从增量看，美国为全球第一，2007年新增装机容量为5244Mw，占全球新增装机的26.1，之后是西班牙(3522Mw)、中国(3449MW)、印度(1730Mw)、德国(1667Mw)和法国(888Mw)。法国和中国等新兴风电市场正在发展装大。在2007年欧洲的装机容量仍然是全球装机容量最大的地区，装机容量占全球装机容量的61，2007年欧洲风电增长19，发电量大约为12，提供了欧洲3.8的电力。远远超过了其他地区，主要是因为该地区其他资源比较贫乏，

20、风力发电开发的比较早，技术比较成熟，并且没有污染；其次是北美地区，在2007年的装机容量为19406Mw，在这个地区主要是美国和加拿大风电的发展，近些年美国的风电发展比较快，2007年风电新增装机容量5244Mw，同比增长了1倍多，占全球发电装机新增容量的30左右。排名第三的是亚洲，2007年新增装机5436Mw，累计装机总量达到16000Mw，增长率为53。在亚洲主要的风电利用地区是中国、印度和日本；其他地区风电的发展虽然也比较快，但是风电的技术水平相对比较落后，风能的利用水平比较低，依次是太平洋地区、南美和加勒比海地区、非洲与中东地区等。不过这些地区的风能资源比较丰富，有待进一步开发。中国

21、幅员辽阔，陆疆总长2万多公里，海岸线1.8万多公里，风能资源丰富。根据资料统计，经济可开发的陆地风能资源大约为253Gw，可利用的海洋风能资源经济可开发量大约为750Gw。沿着东南沿海和附近的岛屿以及内蒙古、新疆、甘肃、青藏高原等地区都蕴藏着丰富的风能资源。据统计中国风能的技术开发量可达3亿千瓦6亿千瓦，而且中国风能资碌分布集中有利于大规横的开发和利用。据考察中国的风能资源主要集中在两个带状地区。一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”即西北、华北和东北的草原和戈壁地带。另条是“沿海及其岛屿地丰富带”即东部和东南沿海及岛屿地带。这些地区一般都映少煤炭普常规能源并且在时间上冬春季风大、降雨量

22、少，夏季风小、降雨量大衔风电正好能够弥补火电的缺陷并与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。年平均风速6m/s以上的内陆地区约占全国总面积的l，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。但是我国风电作为一个产业来说发展比较缓慢，近几年才有了较快的发展，初步具备了规模开发和建设大型风力发电厂的能力。与世界先进水平相比，我国风电发展还有一定的差距。1997年末，全世界约有7816MW的风力发电得到利用。其中欧洲的风力发电为4774MW，美洲1680MW，亚洲1107MW，其他地区250MW以上。到2002年世界计划总装机容量达到20281MW。在欧洲，有5个国家计划到2002年风电量达到本国总电量的10%左

23、右。该地区风力发电发达的国家是丹麦、德国与荷兰。丹麦已建成的风电装机容量为1116MW，到2030年计划风电量达到本国总电量的40%。德国1994年完成了250MW计划，风力发电增长迅速。1998年风电设施1010套并网发电，总功率793.46MW，累计装机已达3000MW，1998年风电产量45亿kWh，比1997年增长50%，风电占全国电力生产量的1%,今后十年，计划风电可在电力总量中占到3.5%30%，到2002年的计划装机容量为4181MW。荷兰已建成风电329MW。英国从环境上考虑，也在拟订引进大型风力发电机计划，已建成328MW的风力发电场，到2002年计划达到978MW的总装机容

24、量。由于欧洲土地少，为提高土地的利用率，各国正在从事大功率(500kW以上)的风力发电机的研制与引进工作。在美洲，美国的风力发电规模较大。1997年末，总装机容量达到1611MW。美国的风力发电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚州地区。80年代初期，风力发电机占主流的是100kW以下的小型机，目前300500kW的发电机已成为风力发电机的主流。建场地区已由过去集中于加州逐步向外扩展，美国中、西部地区也拟出了建设风电场的计划。到2002年，计划装机容量达到2886MW。据美国能源部称，2010年风电至少能达到国内电力消耗量的10%。近十年，美国在大型风轮机的生产方面投资年均增长率达22%，1997

25、年共投资7.5亿美元，风电成本的目标是4美分/kW。一些亚洲国家也在大力开发风电。据印度非常规能源部对印度25个邦的调查，印度的风力资源估计为2万MW。印度的风电业发展较快，80年代后期开始建大型风电场。到1995年，总装机容量已达601MW，1996年风力泵3158台，风电场功率733MW，1997年末达到940MW，计划到2002年总装机容量达到1940MW。日本建成的风力发电场规模不大，1997年末为29MW。1999年投资45亿日元，在北海道苫前町安装20台1000kW风轮机，建成日本最大的风电场。计划未来几年里投资额将达到1000亿日元。我国风能资源丰富，可利用风能资源理论储藏量大约

26、为320万MW，近10%可开发利用，主要分布在沿海和内蒙古、甘肃、新疆等一线大风带上。70年代开始进行并网型风力发电，80年代引进丹麦风电机，在山东荣城、新疆达坂城、内蒙古朱日和建风电场，到1997年总装机容量146MW。1998年在国家优惠政策和国家计委“乘风计划”推动下，年底总装机容量实际达到204MW。1.1.2 风力发电机的生产及运行情况风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源。适合进行风力发电的风能密度一般为0.20.5KW/。因此，风力发电装置的安放地点应在风能密度高，能充分利用不同风速风能的风带区。随着风力发电技术的提高和发展规模的需要，其功率也在向大型化方向发展，而且风力机的生

27、产量也在增加。据称，欧盟的风力机市场规模已达到80亿100亿美元，成了欧洲新兴的经济领域。我国已推广1KW以下微型风力机15万台,居世界首位。19871998年间，日本三菱公司先后向美国夏威夷、加利福尼亚、怀俄明州出口MWT-250型、MWT-450型等风力发电机近900台。其中MWT-250型800余台。该公司1993年还向英国威尔兹地区出口了MWT-250型(300kW)机103台，1995年末向德国温拉公司出口MWT-450型(450kW)1台。日本国民经济开发公司(NEDO)1996年11月委托该公司开发研制500kW风力机，设备总容量为3375kW。三菱公司生产的风力机除出口外，从1

28、982年开始，还先后向日本国内的濑户、静冈、室兰、小长井、岩手县等地区提供了50余台风力机。风电设备的容量系数大都在30%左右，最好的大约已达到55%。据称，美国加州的一个风电场年设备容量系数保持在27%以上的纪录；日本于1982年最初实现风电与日本电力系统联网。日本风电场(300kW)及1998年4月运转的室兰风电场(490kW)已经取得了较好的效果，设备容量系数达到了54.8%。1.1.3 我国风力发电现状及展望 我国是一个风力资源丰富的国家，全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿干瓦，实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。

29、两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区，跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台，并网型风电场24座，总装机容量26万千瓦，其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的，最大单机容量为600kw。毫无疑问，中国风能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比，它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发，从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。风能是我国目前最有开发利用前景的一种新能源。中国目前风电装机容量虽远少于上述国家，但近几年来风电发展迅速，预计到2007

30、年新增风电装机容量累计达470万千瓦以上。提高单机容量和实现风电机组国产化，成为我国风电发展的关键。单机功率的提高，可以降低风电发电成本。选择国际上技术比较成熟的8001000Kw级的风电机组，加快其国产化进程，是我国风电机组制造业尽快走上成熟的有效途径。鉴于上述情况，研究开发出适合我国国情，性能优良、质量可靠、价格合理的M1V级风力发电系统，将对我国的能源、节能事业起到有力的促进作用。特别是对我们这样一个能源贫乏，利用率低的圆家，更具有重要的现实意义和深远的社会意义。国家科技部根据我国对后续能源的需求和现有的工作基础，将后续能源作为能源领域主题之一列入国家863计划。在“十五”期间，将集中力

31、量突破关键技术，获得一批具有自主知识产权的创新性研究成果，为后续能源中的若干重点项目实现产业化提供强大的技术支撑。姗级变速恒频风力发电系统就列入其中。我国资源与环境状况决定了21世纪中国能源资源的利用将走向风能时代。资源是人类社会赖以生存发展的物质基础，是可持续发展的客观条件。可持续发展实质上是以实现资源的可持续利用来保证人口、经济、社会和环境的相互协调与发展的。中国作为能源电力资源开发大国，要把握世界经济大调整、产业结构重组的大改革给予，走高科技、低污染的能源，电力产业跨越式的发展之路，必然选择风能可再生能源和新能源。1.2 风力发电技术的分类风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个

32、能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。它不仅直接影响这个转换过程的性能、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、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。在考虑发电机系统的方案时，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）高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。（3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其它发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。风力发电机组可以分为两大类，恒

33、速恒频和变速恒频。风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频是指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过其它方法来得到恒频电能。 目前运用较多的还是恒速恒频发电系统。恒速恒频运行的一个弊端是，当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将会引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。而且恒速恒频系统的风轮机转速不能够随着风速的变化而变化，无法达到最优的风能利用系数。 变速恒频发电

34、系统是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的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳化的最好方法之一，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、大型风力发电机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。 变速恒频允许风轮机根据风速的变化而以不同的转速旋转。变速恒频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比有以下优点

35、： 减少机械应力：阵风能量可以被风轮机的转动惯量吸收。这种具有“弹性”的吸收方式减少了力矩的脉冲幅值。较简单的桨矩控制：通过调节风力发电机的转速，可以使得对桨矩的控制时间常数延长，降低了桨矩控制的复杂性和峰值功率的要求。 提高了系统的风能利用率：转速可以在较大范围内变化，通过对最佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出。 风力发电机组的控制技术从机组的定桨矩恒速运行发展到变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想的向电网提供电力的目的。本文讨论的就是采用变速恒频技术的交-直-交风力发电系统的网侧逆变器的控制。1.3 论文主要内容 本文从小型家里风

36、力发电并网逆变器的控制出发，针对应用于风力发电系统的PWM整流器需满足的两个要求，阐述了小惯性电流跟踪控制的原理和实现方法。 论文在第一章简要介绍了风力发电的概况和风力发电动向与现状.并且对我国风力发电的发展前景进行了展望。在此基础上，论文对风力发电技术的现状及发展状况进行了简要介绍，并对风力发电技术的分类进行介绍。论文第二章首先介绍了风力发电系统，风力发电系统组成部分，风力发电系统的并网运行，不同类型风力发电机组的并网运行进行介绍。还有直驱型与双馈型风力发电机组的并网比较，交-直-交风力发电系统，风电并网对电网稳定性的影响。 论文第三章阐述了逆变器的基本概念及原理，风力发电系统的结构与工作原

37、理，整流器的概念及原理，逆变器控制技术的发展，介绍了跟踪控制法的基本工作原理，和本文采用的控制方法，最后还讲到了锁相环技术。在第四章中，论文阐述了基于DSP的控制系统的硬、软件设计主要部分设计。包括了DSP技术及DSP芯片、逆变器控制系统的硬件设计、逆变器控制系统的软件设计，其中又包括了DSP技术的发展和特点和DSP芯片的特点及硬件电路，最后用PWM波形的实现编程。第2章 风力发电系统2.1 风力发电系统组成部分风力发电的原理就是先利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机组将机械能转化为电能。典型的风力发电系统主要包括风、风力机、传动装置和发电机等部分，其中风力机是可以把风能转化为其他能量的

38、机械装置，它主要包括风轮、机舱、传动装置、塔架及对风装置。发电机是可以将其他形式的能量转化为电能的机械装置。两者通过传动装置连接实现将风能以电能的形式输出。2.1.1 风力发电机组的类型根据风力机不同的结构、不同的特征以及和不同发电机的组合，风力发电机组有以下几种分类：（1）按风力机额定功率的大小分为：501000W的为微型风力机；110KW的为小型风力机；10100KW的为中型风力机；100KW1000KW的为大型风力机，1000KW以上的为兆瓦级风力机；（2）按叶片数量分为：单叶片，两叶片，三叶片和多叶片；（3）按叶片是否可调节分为：定桨距风力机和变桨距风力机；（4）按风轮转速是否恒定分为

39、：恒速风力发电机组和变速风力发电机组；（5）按桨叶受力方式分为：升力型风力机和阻力型风力机；（6）按机械传动方式分为：有齿轮箱型风力发电机组和无齿轮箱直驱型风力发电机组；（7）按风力机主轴与地面的相对位置分为：垂直轴风力发电机组与水平轴风力发电机组；（8）按风轮设置位置分为：上风向风力机和下风向风力机；（9）按风力发电机组的供电方式分为：独立运行风力机和并网运行风力机。2.1.2 风中蕴含的能量 风电机组将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。动能： （2-1）空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：

40、冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和20C温度的条件下每立方米空气的质量是1.204kg；在-10C的温度下，每立方米空气重1.342kg，比常温下重了11%。也就是说，同样的风速同样的风电机，-10C冷风比20C热风能够多产生11%的电能。所以建议将风力发电机安装在通风背光处。2.1.3 风力机的功率风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。风轮从风中吸收的功率如下： (2-2) (2-3)式中：P为输出功率，为风轮机的功率系数，为

41、空气密度，R为风轮半径，v为风速。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。 风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。 德国物理学家阿尔伯特贝茨(1885-1968)在1920年计算了风电机转化效率的最大可能值，并在1926年公开发表。理论风能利用系数（Betz极限） （2-4）2.2 风力发电系统的并网运行2.2.1 不同类型风力发电机组的并网（1） 同步风力发电机组的并网同步风力发电机的转速n=60f/P，其中P为发电机的极对数，f为交流电的频率。同步风力发电机

42、组并网方式有准同步并网和自同步并网，准同步并网要求严格同步发电机和电网之间一定要符合以下要求：a. 电压相位要一致；b. 电压相等，且电压波形相同；c. 电压相角要一致；d. 频率相同。这种并网方式一般很难做到，实际并网时相位和频率总会有一些偏差。自同步并网方式的步骤为：在同步发电机的转子侧没有加励磁的情况下，励磁绕组经限流电阻发生短路时，同步发电机的转速在风力机的拖动下将升高到接近同步转速，此时将同步发电机投入电网，然后再马上投入励磁，转子和定子之间的电磁力将会自动把发电机牵入电网同步运行。同步发电机并网的优点是：同步发电机可以自励磁，不需要外加励磁，可以改善功率因数，有利于提高电网的供电能

43、力。缺点是：成本较高，容易产生较大的冲击电流，并网控制较复杂。（2） 异步风力发电机的并网异步发电机的转子转速低于或高于旋转磁场的转速也就是同步转速，因此同步转速与转子转速的差与同步转速飞的比值称为转差率S，即。异步风力发电机组并网合闸时对转速要求不是非常严格，并网比较简单，主要靠滑差率来调节负荷，异步风力发电机并网运行时一方面向电网输出有功功率另一方面又吸收电网的无功功率。异步发电机可以直接并入电网、降压并入电网或通过晶闸管调压装置并入电网。使用异步发电机并网的优点有：发电机结构简单、并网方便、成本较低、并网容易控制。缺点是：需要从电网吸收无功功率以提供自身的励磁，还需要进行无功补偿。无论采

44、用同步发电机还是异步发电机都属于早期的恒速恒频风力发电机组，对风能的利用效率低，风速低时不能输出电能，因此这种风力发电机组逐渐被变速恒频风力发电机组替代。变速恒频风力发电机组不但能自动调节有功和无功功率，而且在低风速时还能自动跟踪最大功率；高风速时还可缓冲风力机受到的机械冲击。变速恒频风力发电机组主要分为：双馈型感应风力发电机组和直接驱动型同步风力发电机组。（3） 双馈型感应风力发电机组的并网双馈型感应发电机并网时，定子绕组与电网直接相连，转子绕组需经循环变流器接入电网，功率能够双向流动。风力机变速运行时发电机也是变速运行，因此为了实现与电网的连接，将采用脉冲宽度调制技术(PWM)来控制山双馈感应发电机和把自关断器件作为功率开关管的变换器组成的变流系统。采用双馈感应发电机，要实现恒频控制，就要根据风速的变化和发电机转速的变化不断调整转子电流的频率。双馈感应发电机并网的优越性是：与电网连接简单，可以调节功率因数；对电