直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析

毕业论文

直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析

姓 名 杨建东 学 院 电气工程与自动化 专 业 自动化 指导教师 成 怡 职 称 副教授

2013 年 6 月 1 日

天津工业大学毕业论文任务书

题目 学生姓名 课题类型 杨建东 直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析 学院名称 电气工程与自动化 实际课题 专业班级 自动化092 本课题利用 Matlab/Simulink 仿真软件，分析影响风能捕获的因课题意义 素，研究实现最大风能捕获的控制策略，为后续风力机控制提供参考，从而实现合理高效的风力发电。 2013.01-2013.03 收集相关资料，准备风力发电机最大风能捕获影响因素的相关信息。 任务与进度要求 2013.03-2013.04 学习matlab使用方法，准备系统建模的相关知识。 2013.04-2013.05 确立系统的数学模型并建立仿真模型，分析风力发电机的最大风能捕捉的影响因素。 2013.05-2013.06整理影响风力机的最大风能捕获因素的有关结果并撰写论文。 [1] [2] [3] 起止日期 备注 高 平,王 辉.基于 Matlab/Simulink 的风力机性能仿真研究[J].能源研究与信息,2006,22(2): 80-83. 汪 洋.基于永磁同步电机风力机模拟技术研究[J].电机与控制应用, 2011,38(9):41-45. 赵立邺,孟 镇.基于直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真[J].农业网络信息,2011,1(2):30-34. 主要参考文献 2013.03.01至2013.06.01 院长 教研室主任 指导教师

毕业论文开题报告表

2013年03月22日 电气工程姓名 杨建东 学院 专业 自动化 班级 自动化092 与自动化 题目 直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析 指导教师 成怡 一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义： 风力发电作为可再生能源利用的重要成员，受到各国的广泛关注，风力发电技术也在不断发展和更新。目前有代表性风电系统为无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统、直接驱动型风力发电系统。直驱型风力发电系统，先将不稳定的风能转化成频率和幅值均变化的交流电，然后利用整流电路，将交流变为直流，再通过三相逆变器，将直流电变为与电网同频同相的三相交流电。由于整流器和逆变器均属于电力电子变换环节，所以系统的有功功率和无功功率可以分别进行控制，并能跟踪风能的最大功率。直驱型风力发电技术涉及的关键技术有风力机的性能研究、永磁发电机的控制技术、电机侧并网技术等. 本课题利用 Matlab/Simulink 仿真软件，分析影响风能捕获的因素，研究实现最大风能捕获的控制策略，为后续风力机控制提供参考，从而实现合理高效的风力发电。 二、进度及预期结果： 起止日期 主要内容 预期结果 了解风力发电的基本原理，掌握影响风力发电机最大风能捕获的相关信息。 掌握matlab的使用方法，会建立系统模型。 完成仿真模型的建立，得到风力机最大风能捕获的影响因素的相关结果。 总结完成影响风力机的最大风能捕获的有关因素，撰写论文完成。 收集相关资料，准备风力发电机最大风能捕获影响因2013.01--20素的相关信息。 13.03 学习matlab使用方法，准备系统建模的相关知识。 2013.03--20 13.04 确立系统的数学模型并建立仿真模型，分析风力发电2013.04--20机的最大风能捕捉的影响因素。 13.05 整理影响风力机的最大风能捕获因素的有关结果并2013.05--20撰写论文。 13.06 完成课题的现有条件 审查意见 拥有完成课题的有关软件和相关书籍。 指导教师： 年 月 日 主管领导： 年 月 日 学院意见 天津工业大学本科毕业论文评阅表

题目 学生姓名 评审项目 杨建东 直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析 学生班级 自动化092 指标 能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大选题 小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。 能查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题调研、 课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获文献检索 取新知识的能力。 结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。 论文撰写 文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。 外文应用 能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。 论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。 论文水平 有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。 论文有独到见解或有一定实用价值。 合计 意见及建议： 评阅人签名： 年 月 日 15 指导教师姓名 满分 10 10 成怡 评分 10 10 5 15 15 10 100 天津工业大学毕业论文成绩考核表

学生姓名 题目 杨建东 学院名称 电气工程与自动化 专业班级 自动化092 直驱型风电系统中最大风能捕获的影响因素分析 1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩： 成绩： 答辩（或组长）签字： 年 月 日 3．毕业设计（论文）总成绩： a.指导教师 给定成绩 b.评阅教师 给定成绩 c.毕业答辩成绩 总成绩 (a×0.5+b×0.2+c×0.3) 摘 要

首先本文介绍了国内外风力的发电发展现状与趋势和国内外直驱型风力发电机组的发展现状与应用。然后阐述了风力发电的基本理论和水平轴风力发电机的组成结构，对全球风能资源分布做了详细的的概括。其次简述了变速/恒频风力机的最大风能捕获技术的原理和功率调节的三种方式，并分析了变转速运行的特点以及风力发电机变速/恒频技术。最后，本文利用 Matlab／Simulink 仿真软件建立影响风力机最大风捕获的因素的模型，并对风速、风能利用系数、叶尖速度比、浆距角和发电机功率之间的关系进行仿真研究，分析仿真所得到的影响最大风能风能捕获的因素，并研究获得最大风能捕获的控制策略。仿真结果说明：在额定风速以下时，可以调节发电机的转速从而获得最佳叶尖速度比和最佳风能利用系数；在额定风速以上，可以通过桨距角的调节来实现发电机的恒功率输出，从而实现最大风能捕获。

关键词：风能；simulink仿真；变速/恒频；最大风能捕获；

ABSTRACT

This paper introduces the domestic wind power development status and trends and domestic direct-drive wind turbine development status and application. And then expounds the basic theory of wind power and structure of horizontal axis wind turbine, the generalization of the global wind energy resource distribution in detail. Secondly describes variable speed constant frequency the principle of maximum wind energy capture of wind turbine technology and three ways of power regulation, analyses the characteristics of variable speed operation and variable speed constant frequency wind turbine technology. Finally, this paper use of Matlab/Simulink software to establish the model of the factors influencing the maximum wind capture of wind turbine, And the wind speed, wind energy utilization coefficient, blade tip speed ratio and pitch Angle and the relationship between the power simulation research, Simulation analysis of factors influencing the maximum wind power wind energy capture, and study the control strategy of the maximum wind energy capture. Simulation results show that under rated wind speed, it can adjust the speed of the generator in order to gain optimal tip speed ratio and the best wind energy utilization coefficient, Above the rated wind speed, it can be done by the adjustment of the pitch Angle of the generator of constant power output, so as to realize the maximum wind energy capture. Key words：Wind power; Simulink simulation; Variable speed constant frequency;

Maximum wind energy capture;

目 录

第一章 绪论........................................................................................... 1

1.1课题的背景及意义.......................................................................................... 1 1.2国内外风力发电发展现状与趋势.................................................................. 1

1.2.1风力发电的历史过程........................................................................... 1 1.2.2国外风力发电发展现状与趋势........................................................... 3 1.2.3国内风力发电的发展现状与趋势....................................................... 5 1.3国内外直驱型风力发电机组发展现状.......................................................... 6

1.3.1国外直驱型风力发电机组的发展现状............................................... 6 1.3.2国内直驱型风力发电机组的发展现状............................................... 7 1.4本论文主要的研究内容.................................................................................. 8

第二章 风力发电的基本理论 ............................................................ 10

2.1风能和风资源................................................................................................ 10

2.1.1风能概述............................................................................................. 10 2.1.2地球上的风能资源............................................................................. 10 2.2风力发电的基本理论.................................................................................... 12

2.2.1风力发电的基本理论......................................................................... 12 2.2.2风力发电的特点................................................................................. 12 2.3风力发电机的结构与组成............................................................................ 13

2.3.1风力发电机的分类............................................................................. 13 2.3.2水平轴风力发电机的结构................................................................. 13 2.4风力发电机的基本理论................................................................................ 15

2.4.1贝茨(Betz)理论................................................................................... 15 2.4.2风力发电机特性系数......................................................................... 17

第三章 变速/恒频风力机最大风能捕获技术 ................................... 19

3.1功率调节........................................................................................................ 19

3.1.1定桨距失速调节................................................................................. 19 3.1.2变浆距角调节..................................................................................... 20 3.1.3混合调节............................................................................................. 20 3.2变转速运行.................................................................................................... 21

3.2.1影响风力机功率的因素..................................................................... 21 3.2.2变转速运行的特点............................................................................. 22

3.3风力发电机变速/恒频技术 .......................................................................... 23

3.3.1并网运行风力机恒定问题................................................................. 23 3.3.2变速/恒频风力发电机种类 ............................................................... 23 3.4最大风能捕获原理........................................................................................ 25

第四章 直驱型风电系统最大风能捕获影响因素仿真与分析 ........ 28

4.1风能利用系数的建模和仿真分析................................................................ 28

4.1.1风能利用系数的建模与仿真............................................................. 28 4.1.2分析仿真结果对风电系统最大风能捕获影响................................. 29 4.2风力发电机输出功率的建模和仿真结果分析............................................ 32

4.2.1风力发电机输出功率的建模............................................................. 32 4.2.2分析仿真结果对风电系统最大风能捕获影响................................. 32

第五章 结论......................................................................................... 34

参考文献 ................................................................................................... 35 附 录 ....................................................................................................... 36

附录A外文文献翻译 ......................................................................................... 36

谢 辞 ....................................................................................................... 49

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第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

能源是人类社会生存和发展不能缺少的物资基础，由于社会文明的进步，人类无止境的开采地球上的化石能源，并且它被大量使用，严重污染了环境。目前，绝大多数国家都以化石燃料为主要能源。由于全球人口数目不断攀升,人们对于能源的依赖性也逐渐增大，因此人类对天然气、石油及煤炭等的开采量日益增大，使得这些能源总量急剧下降，价格不断增多，同时传统能源的使用带来的气候变化也逐渐威胁到人类自身的生存与发展。因此，可再生能源的利用是我国可持续发展的重要环节。可再生能源技术发展的主要特点为：（1）由于社会不断地发展，技术不断进步，国家在承担可再生能源发面的开发也逐渐降低，这是可再生能源的利用不断提升，在市场上已有一低昂的竞争力，但是目前大部分可再生能源利用的短期利益与它的开发投资相比并不平衡，然而它在社会未来经济和环境方面上,具有非常好的发展前景。（2）技术方面逐渐趋于成熟。系统和技术方面的稳定性不断加强并且能源的利用率也在逐渐提高。

在以上这些可再生能源中，风能作为清洁、可再生能源，具备很多优点，而且随着风力发电技术迅速趋于成熟，国家经济方面也可以承担风力发电上的资金投入，风电已成为重要的可再生能源。因此，受到了各国的广泛重视。

1.2国内外风力发电发展现状与趋势 1.2.1风力发电的历史过程

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。风力发电机最早的原型是风车，是由一名奴隶发明的。他利用垂直轴风车辗米。如图1-1所示。

公元1000年左右，风能以被中国人开发利用，其主要用于磨面、舂米、灌溉等。如图1-2所示。

到12世纪的时候，风车开始从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的海滩上建国立业。到18世纪的后期，由于飞速发展的科学技术，在风轮机的特性和组成结构方面，都得到了显著的提高，在用叶片浆距角的调节来改变风轮机的转速的技术方面，已经应用手动控制和机械式自动控制。

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图1-1 波斯人发明的垂直轴风车

图1-2 利用风车提水灌溉

早始于19世纪末，就提出了将风车应用到发电方面上的假想。11年，丹麦建成了的一座风力发电站[1]。在1918年，丹麦已经制造出了额定功率在5~25kw之间不等的风力发电机，当时风力发电机的数量已经达到了120台。

风力发电机在近代的发展分为三个阶段：

第一阶段，在1977-1987年期间。在这期间验证了风能是可以被利用到发电方面的，并且人们也可以控制和利用风的主要特点的。

第二个阶段，在1987-1997年期间。随着风力发电的技术日趋成熟，大规模

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发展风力发电产业已经成为一种趋势，在这种趋势下风力发电产业也逐步上升到了商业模式。先进的制造企业现出了10家。风力发电机的容量也上升到了几百千瓦级，并且变桨距机组的技术也逐渐成熟，同时也在逐步投入到市场，在市场上与定桨距失速调节的机组形成了竞争，从而共同促进了风力发电的发展。

第三个阶段，1997年至今。这期间风力发电机的主要趋势是兆千级的，并且风力发电也逐渐向海上扩展。随着风力发电机容量的提高，由于疲劳载荷和极限载荷的方面的问题越来越大，新的直驱变速变桨和双馈变速变桨的技术也逐渐应用在兆千级以上的风力发电机上了。

1.2.2国外风力发电发展现状与趋势

首先从装机容量上来看风力发电的发展。据BTM统计数据显示，2010年全球风电累计装机容量将近达到199520MW，年累计增速达到25%，比几年前的平均增速低了一些。但前十名的市场的总额与前年相比下降了2个百分点，说明市场的多元化已经形成。

然后风电装机容量全球排名前十位国家分析，世界将近一半的新增装机量来自于中国，美国排在第二位，西班牙和德国的新装机量被印度超过，印度居于世界的第三位，英国的新增装机量也有很大提升，现居于世界的第五位超过了09年的第八位，然而丹麦作为传统的风力发电大国却没有进入世界前十位，被瑞典超过。

在风轮机累计的装机量方面，中国在累计装机量上已经成为世界第一，从而超越了美国，其他九个国家美国、德国、西班牙、印度、法国、英国、意大利、加拿大、葡萄牙的累计装机量依次为世界前十，这些国家的总的累计装机量占世界总的累计装机量的85.8%，占世界总的累计装机量的73%只来自于前五的国家。从以上数据可以看出，风力发电的主要市场比较集中，在风电产业世界盛行的趋势下，亚洲、欧洲和北美占其主导地位。在2010，应用风力发电的国家已经超过了百位，中国和美国的累计装机量都超过了40GW，累计装机量多于10GW的国家达到了5个，达到5GW有4个国家，多达20个国家的累计装机量多于1GW，这些数据都证明了世界的风电产业的普及已有了大幅度的提高，如表1-1所示。

预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的10%;国际能源局在2009年公布的风能技术路线图，要有效的改进风力发电的设计，并且将风力发电迅速投入到海上，到2050 年，全球近十分之一的电量来自风力发电。要实现到2050 年利用风能所产生的电量将占全球总电量的12%这一目标，国家要花费312万亿美元。在以后 40 年内，每年都需要增加4.7万兆瓦。随着社会经济水

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平的不断进步，风力发电的成本也会逐渐降低[2]。

表1-1 全球风电累计装机前十名国家

国家 中国 美国 德国 西班牙 印度 法国 英国 意大利 加拿大 葡萄牙 其他 前十总计

其次从发电技术方面来看全球风力发电的未来发展。全球的风力发电技术发展很快，表现为：

1.持续提高的单机容量，近年来风力发电在世界范围内迅猛发展，年增长率达到20%。单机容量为MW级的风力机已经进入商业化运行阶段[3]。

2.定浆距功率调节方式被变桨距功率调节方式逐渐代替。利用变浆距调节技术能够尽可能多的捕获风能，提高发电效率，又可以在高风速阶段保持输出功率平稳，不至于引起异步发电机的过载[4]。

3.变速恒频发电方式迅速取代恒速恒频发电方式。变速运行风力机以最佳叶加速比、最大功率点运行，对比于恒速恒频风力发电系统，在发电量上提高20%多[5]。

4.无齿轮箱系统的直接驱动方式变多。 再次，从世界风力发电发展的趋势看其发展。

1.风力发电从陆地转向海上。因为海上风能资源丰富，所以风力发电从已经开始向海面延伸。

2. 从事风力发电的人员会逐渐扩大[3]。 3. 单机容量将进一步增加。

累计装机量/MW 44730 40274 273 20300 5961 5862 5793 4011 3837 28371 171149 199520 占比/% 22.4 20.2 13.7 10.2 6.5 3.0 2.9 2.8 2.0 1.9 14.2 85.8 4

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1.2.3国内风力发电的发展现状与趋势

由于我国社会的迅速发展，对能源的需求量也不断增多，电力作为人类最普遍的能源得到了较快的发展。我国风力发电的应用与国外要落后一些，但是发展速度非常快。风力发电机组的研制重点有两方面，一是1kw以下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[6]。在过去的几年中，中国的风力发电新产能已达到一个非常高的水平，每年的增长率也保持快速增长。在2009年，风力发电的装机容量的增长速度风力发电的装机容量约为1.8%，占全国总量的110%的风力发电的装机容量。2010年，中国的风能有一个飞跃的发展。其装机容量增长率2.3%，占总额安装发电能力的117%[7]。

从累计装机量和发电量来看，我国已经跃居世界第一，电力不是一次能源，它必须由一次能源转化才能得到。我国的电力主要是以燃烧煤炭来转化为电能的，因为煤炭资源常年被开采利用，现在我国电力的持续发展已经不能全依赖于煤炭资源的转化，并且对环境的影响很大。因此我国应促进可再生能源的开发，这样才能承担大量的能源消耗，同时对环境的保护也非常有益。

近三年来，我国的风电机组装机容量突飞猛进，连续三年保持了100%以上的增长速度，截止到2009年底全国风力发电装机容量达到2510万千瓦。但是我们国家的风力发电技术相比于国外先进国家的技术而言还存在很大差距，仍然需要继续努力。现阶段我们国家的风力发电技术存在很多问题：

1. 风力发电的技术水平和发达国家相比仍有一些差距。

2. 我国风力发电的发展相对较晚，风力发电技术方面的人才较少。 3. 电力系统的安全运行和大范围风电并网对电能的质量已出现一定的影

响。

4. 电网的发展和风电的建设并不平衡，没有落实风电的输出。

5. 缺乏风力发电的运营方面的经验

这些存在的问题就是今后风力发电所要改进与提高的，也从侧面说明了我国风力发电的发展趋势[3]。

在未来几年的时间里，我国的风电发展将会进入一个崭新的历史阶段，将由这几年的迅速发展向成熟稳定方向转变。我国的风电行业也将受到国家的大力支持。能源局2013年工作会议提出今年的风电装机目标为1800万千瓦；上个月公布的“十二五”第三批风电核准计划为2797万千瓦。国家电网今年即将开建的7条特高压输电线路，有4条将大力支持风电送出。能源局还改革了可再生能源补贴发放机制，将预拨款项并按每月实际电量一同结算标杆电价和可再生能源补贴。在去年举行的大型和中小型风能设备年会上，中国农机工业协会风能设备分会发布了《全国风能设备行业自律倡议书》，从行业的各个层面和环节对制造企业提出了自律倡议，号召企业从自身出发，遵守商业道德底线，促成产业的健康

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和谐发展。

1.3国内外直驱型风力发电机组发展现状 1.3.1国外直驱型风力发电机组的发展现状

随着单机容量的加大，主要的风力发电机型已经变成为变桨矩、变速/恒频型。由于MW级风力发电机中的齿轮箱这一部件并不耐用而且过载情况非常的严重，因此国外正在设计不用齿轮箱的发电机组被称为直型风力发电机组或者称无齿轮的风力发动机，这种机组把异步电机与叶轮直接连接的方式，免往齿轮箱这一传统部件（结构特征见下图），具备低噪声、进步机组寿命、减小机组体积、降低运行维护本钱、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间。

新型的可变磁阻的发电机在1995年被美国的研究部门研制出来，这种机型就是以前风力发电机中的机械的齿轮箱被磁性的装置给替代了。

无齿轮和变速变浆距的风力机出现于1997年， 这些机型效率高、维护成本较低等特点。MWT-S2000型的风力发电机在2003年被Okinawa电力公司运行使用，这种应用了小体积的变速直驱型永磁同步电机和新型较轻的叶片的2MW级的风力发电机是由日本三菱重工第一次自行制造出来的。

加拿大M.eng. M. Dubois在2000年提出了齿轮箱降低了风力发电机的运行负载的效率，并且齿轮箱并不耐用，所以现在要去除齿轮箱，可以用一个与风力发电机的转速一样的电机代替。直驱式低转速的电机很多都在水力电站被应用，但在风力发电中应用仍存在许多问题，如University of Durham, Chalmers University of technology in Goteborg and Darmstadt University of Technology等一些高校对风力发电机中电机恰当的质量做了一些研究；挑选合适的用于联网的变流器；选择合适的机型(如永磁、同步、可变磁阻等机型)；如何减少噪音；压力和电流的浮动对最高扭矩密度所的影响；目前对多个模块的组成的方式比较推荐，这样既对运输方面非常的方便，并且在其中部件破损的而电机仍可以运行的情况下，研制出对电机没有额外的损耗的风力发电机；永磁电机被越来越多的应用，是因为它的高效和高扭矩的密度，这样它的铁损耗是否会加大，怎样选择磁性材料，这些材料如何被磁化，电机在运行失效的状况下怎样来防止消磁的情况。 2000年，3MW-5MW 的大型可变速风力发电机组被ABB公司研制成功，其结构非常的简单，其采用风轮直接驱动永磁转子，其特点是有较高的传动效率、可靠的运行、较大的容量以及较好的环保效果。

德国Multibrid公司在2005年安装的首台风力发电机是5MW的，应用了单级齿轮箱相结合的混合传动和水冷式的中速永磁同步发电机技术的M5000型风

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力发电机被德国aerodyn公司研制出来，这种机型对比于传统的机型，它的传动系统的结构得到了较大的简单化，从而使风力发电设备的可靠性也得到了显著的提升。

在20多年前直驱型风力发电机就已经开始使用了，然而这种类型的风力发电机吸引了研究职员的极大爱好却在近几年，并将这种技术应用于产品，同时将这种产品投入市场，这种技术水平较为先进的国家有美国、德国、丹麦。

1.3.2国内直驱型风力发电机组的发展现状

一、 我国风电装机容量分析

在国家大力扶持风力发电产业的下和风力发电技术的的不断进步，风力发电在我国得到了快速的发展，由中国的行业咨询网研究部汇总的资料可以知道，2006-2008 年在这连续 3 年里我国百万千瓦级的风力发电装机量在不断地翻番，我国在2009年的新增装机容量达到了1,359 万千瓦，并且累计装机容量也到了 2,580 万千瓦。我国风电装机容量在未来的时间里会持续的增长，预计在 2014 年，累计的装机容量能到八千万千瓦。 二、 我国永磁直驱风机市场容量分析

在2006年，直驱型永磁风力发电机出现在中国市场。2008年，金风科技从国外公司得到了永磁直驱风力机的专利，使我国的直驱型永磁风风力发电机的生产能力和研发都得到了较大的提高。

我国规定70%以上要为国产的风电设备，并要求风力机应用到低风速区域。预计到2014 年，我国直驱型永磁风力发电机的年产量将占当年新增风力机总量的53%，2008-2014 年直驱型永磁风力发电机的产量复合增长率将达到 41.42%，如表1-2所示。

我国研制的2.0兆瓦直驱型永磁风力发电机是我国拥有自主知识产权的第一台直驱型永磁风力发电机。它是我国这一类型的风力发电机中最大的，这也说明了在世界的先进领域中，我国的直驱型永磁风力发电的技术已有一席之地。

我国低风速风能资源将近占全国总资源的一半。在低风速区域直驱型永磁风发电机的效率很高。因此，直驱型永磁风力发电机的使用很重要。

由现在市场的情况来看，占据风机市场重要部分的仍为双馈型风机，因为新型的直驱型永磁风机具有许多的优势，所以应用范围也比较大。随着大功率永磁直驱风机的不断推出，在未来永磁直驱风机发展前景非常的广阔。

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表1-2 2006-2014年我国新增永磁直驱风机容量及预测

单位：台

7 120 500 1600 2600 2900 3200 3500 4000 年份 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年

新增永磁直驱风机 1.4本论文主要的研究内容

风能是可再生能源其中之一，各国非常重视风能的利用和开发，随着科技的进步，风力发电的技术也在逐渐进步与创新。现在直驱型风力发电系统和无刷双馈型风力发电系统都具有典型的风力系统。直驱型风力发电系统是将风轮直接与发电机相连接，去掉了齿轮箱，电能由功率变换电路将其转换以后才能并入电网，这样并网的效率得到很大提升。它对比于双馈型风力发力电系统，其传动系统的零部件的数量降低了，风力发电机组的维护成本也减少了，同时风力发电系统可靠性也有了很大提高。直驱型风力发电的技术包含了永磁发电机的控制技术、电机侧并网技术以及风力机的性能研究等重要技术[8-10]。本文利用 Matlab/Simulink 仿真软件，对风能捕获的影响因素进行分析并对如何实现最大风能捕获的控制策略作简单研究，为风力发电机控制提供一些参考，从而可以做到更加高效的风力发电。

主要内容如下： 一、

对国内外风力发电发展现状与趋势做简单的介绍并对国内外直驱型风力发电的相关技术做简单的概述，从整体上对全球风力发电相关技术和发展趋势做系统的了解。

二、 三、

介绍风力发电的理论基础和风力发电系统的一些重要特性参数以及风资源和风轮机的概述，分析了风力机的组成结构和组成。 介绍影响直驱型风力发电系统的变速/恒频技术和风力机的最大风能捕获原理以及影响最大风能捕获的相关参数。

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四、 利用matlab/simulink仿真软件对影响风力机最大风能捕获的相关参数进行建模和仿真，对风力系统仿真的结果进行分析，总结相关参数对直驱型风力发电系统捕获最大风能的影响。

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第二章 风力发电的基本理论

2.1风能和风资源 2.1.1风能概述

据统计世界总能量的3倍为风能资源。风能的1%被利用，那么世界能源的消耗会降低3%；如果将风能应用于发电，那么可输出8%~9%的全球总的电量。 风能是一种清洁的可再生能源，并且在地球上存在大量的风能。由于能源的大量需要和环境保护问题被人类所关注，人类逐渐开始重视对风能的利用，21世纪，风能将会被大范围开发利用。

风能是一种最具有活力的可再生能源，它是由太阳能的转化形成的，因此可以认为它是用不完的。风能能取代化石燃料和核燃料的局面。风力发电机的单机容量由五百千瓦级增大到一千千瓦量级，现在单机五千瓦的风力机被研制出来

[11]

。

2.1.2地球上的风能资源

地球上的风能资源十分丰富，根据相关资料统计，每年都有1.5×1018kW·h来自外层空间的辐射能，大气吸收了这种辐射能的2.5％的能量，也就形成了约为4.3×l0l2kW·h的风能。在1973全球的电场输出为1×1010kW功率，然而风能却为这一数据的400倍，全球沿海风能资源分布如图2-1所示，全球的资源分布如表2-1所示。

风速极大区域 风速8至9m/s以上 风速较大区域 风速6至7m/s以上 风速较小区域 风速5m/s以下 大西洋沿海和冰岛沿海东北亚地区沿海非洲南端沿海加勒比海岛屿地区沿海南美洲中部的东海岸、南亚次沿海以及东南沿海 赤道地区沿海：中美洲西海岸、印度尼西亚沿海

图2-1 全球沿海风能资源

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表2-1 全球风能资源分布

风力为3～7级所41 18 42 29 32 30 20 11 6 27 地区 北美 美洲和加勒比 西欧 东欧和独联体 中东和北非 撒哈拉以南非洲 太平洋地区 中国 中亚和南亚 总计

陆地面积（km2） 19339 18482 4742 23049 8142 7255 213 9597 4299 106660 风力为3～7级所7876 3310 1968 6783 2566 2209 4188 1056 243 29143 占的面积（km2） 占的面积比例（%） 根据全国风能详查结果，我国陆上的风能资源理论储存量是73亿千瓦。我国两大部分风能较多。第一是三北（东北、华北、西北）地区带；第二是沿海及其岛屿地丰富带。另外一些地区因为湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，成为内陆风能丰富地区，我国风能资源分布如表2-2所示。

表2-2 我国风能资源分布

省区 风能资源（10,000kW） 省区 内蒙古 黑龙江 甘肃 吉林 河北 辽宁

6178 3433 1723 1143 638 612 606 山东 江西 江苏 广东 浙江 福建 海南 风能资源（10,000kW） 394 293 238 195 1 137 11

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2.2风力发电的基本理论 2.2.1风力发电的基本理论

风轮机转动时，风能被变为机械能，这样发电机就可以发电了。其原理是风吹动叶片，同时带动主轴使发电机发电的。现在大约三米每秒的风速度就能发电。风力发电的原理如图2-2所示，叶片被风吹动，就将风的动能转换为风轮机的机械能，将发电机的转轴和风轮的转轴相连接，当风吹动叶片然后就带动发电机的旋转这时就能使发电机发电。

风叶 风向 发电机 图2-2 风力发电原理图

2.2.2风力发电的特点

（1）无污染的能源

风力发电不污染环境，这反面要优于火力发电。 （2）装机容量并不固定，可灵活装机

装机容量可参考资金情况来决定一次装机的规模。 （3）建设所用的周期很短

不到一年的时间就能建设一个十兆瓦级的风力发电场。 （4）可靠性高

科学技术的进步增强了风力机的可靠性，较大型的风力发电机组已经超过了火力发电的可靠性。 （5）造价低

从国外风力发电场的情况看，火力发电的造价要高于风力发电的造价，因此

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风能发电效益比较高。 （6）运行维护简单

由于现在风力发电的技术比较高，基本可以实现自动化的运行，因此在无人职守的情况下风力发电也能正常运行，保证好定期维护的效果，火力发电的大修情况就很少发生。 （7）实际占地面积小

风力发电的建筑所需要的占地面积比火力发电的电厂要小得多。 （8）多种发电方式

风力发电与其他能源发电可以配合使用，也可并网运行，这样边远地区的发电问题也可以得到解决。 （9）单机容量小

单台风力发电机组的容量很小主要是由于风能密度较低的原因，不能和现在的火力发电机组和核电机组相比。另外风速是不确定性的，这就是风力发电必须解决的问题。

2.3风力发电机的结构与组成 2.3.1风力发电机的分类

根据发电机组的容量可分为：小型机（十千瓦以下）、中型机（十至一百千瓦）和大型机（一百千瓦以上）。根据主轴位置可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。第一种已经成为世界的主要机型。优点为在离地面很高的地方就可安放，这样其态特性会被地面扰动会减少。几乎没有国家生产第二种机型，因为其机型的效率不高，也需要人工造作，而且有技术的问题还没有解决。本文后面不明确指出时，风力发电机组都为第一种机型。

2.3.2水平轴风力发电机的结构

大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转动器等）组成的，如图2-3所示。

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图 2-3 风力发电机结构图

(1)机舱

风力发电机的重要设备都在机舱内。 (2)风轮

风轮为叶片安装在轮毂上的部件。它能使风力发电机接收风能。 轮毂是风轮机的叶片和主轴相连接的零部件。

当风轮机转动时有很大的转矩作用在主轴上其转速大多为五十转每分以下。 (3)增速器

其也被称为齿轮箱，是机组重要组成部分。 (4)联轴器

其起到齿轮箱连接发电机的作用，其设备的设计降低了使用面积。 (5)制动器

其起到刹车的作用。 (6)发电机

发电机也是机组的重要组成部分，其作用是用来发电。 (7)塔架

其主要起支撑作用

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(8)调速装置

因为气流不是固定不变的，所以风轮的转速也不是固定不变的。调速装置是用来改变转速的。

(9)调向（偏航）装置

其装置就是用来调节风轮机的角度的。 (10)风力发电机微机控制系统[12]

其主要作用就是为了实现风轮机的自动运转，这样起到了智能的作用，不用人亲自执行，提高了运行的效率。

(11)电缆扭缆计数器

电缆主要是用来传输电流的。其计数器的作用是防止由于风轮机过度旋转造成电缆扭断。

2.4风力发电机的基本理论 2.4.1贝茨(Betz)理论

S2 S1 V1 S v V2 图2-4 贝茨理论计算简图

一九一九年A·贝茨(Betz)发表了贝茨理论。前提是风轮为理想的，其设备不会减弱气流。同时假设风速为稳定不变的，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。 如图2-4所示，对“理想风轮”叶片上的力和功进行分析。

图中V1为叶片前的速度；V为经过叶片的速度；V2为叶片后的速度；S1为叶片前风速的的面积；S为叶片是风度面积，S2为叶片后风速面积。

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风轮机转动的过程，是将风的动能转化成为叶片旋转的机械能，则有V2S2>S1。

空气假定为理想的，根据连续的条件可知

S1V1SVS2V2V (2-1)

气流的动能依据流体力学得

T0.5mv2 (2-2)

在单位的时间内气流经过载的面积为s，通过气体的体积设为V，则

Vsv。

设空气的密度为，流过的空气的质量是msv，那么气体的动能为

1 Tsv3 (2-3)

2其中V的单位是m3；的单位是kgm3；v的单位是ms；T的单位是W。 根据公式风能的大小正比于气流的速度立方和气流经过的面积以及空气的密度，其中和v不是固定值，是根据外界环境变化的。

叶片上所受到风的推力可由欧拉定理可知

Fsv(v1v2)m(v1v2) (2-4)

风轮的功率是

PFvsv2(v1v2) (2-5)

因此风吹过风轮叶片使风的动能转化为

11222Tsv(v1v2)m(v12v2) (2-6)

22式中空气的质量为m=sv

PT (2-7) vv1v2 (2-8) 2因此，风轮叶片受到风的推力F和风轮转动所输出的功率P是

F1s(v12v22) (2-9) 2 P1s(v12v22)(v1v2) (2-10) 4风速V1可以测到是定值， P是V2的一个函数，V2的值决定的P的取值，对

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P进行微分可得最大值

dP122s(v12v1v23v2) (2-11) dv24令微分等于0，求解方程得到

1v2v1 (2-12)

3Pmax8116sv13sv13 (2-13) 27227CP=16/27=0.593，其中CP被称为贝茨风能利用系数

P1sv13CP (2-14) 213式中sv1是风速V1的风能T，故

2PmaxTCp (2-15)

CP=0.593，说明气流通过风轮叶片时，风轮叶片能将气流经过叶片时的截面

积S的59.3％的风能转化最大功率Pmax的风轮机的机械能。一般情况下，风能变成机械能的效率少于59.3％，转化效率由风轮机的类型确定在0.25-0.45。

2.4.2风力发电机特性系数

风能的基本理论由贝茨理论说明了，特性系数对风轮机的能量转换与控制很关键。

（1）风能利用系数CP

CP表示风轮机从风能中获得能量如下面的公式

P (2-16) Cp13v1S2（2）叶尖速度比

叶尖的线速度与风速之间的比值来判断在不同风速时风轮的状态，比值称为叶尖速比

2RnwR (2-17) vv风轮机的速度决定了值的大小。

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（3）推力系数CF和转矩系数CT

为让风轮机的扭矩和推力得到的容易。用画出转矩和推力的曲线图，因此

CF和CT也要被无因次化。

CTT12vSR2F2FCF2 (2-19)

2T (2-18) 2vSR1v2SvS218

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第三章 变速/恒频风力机最大风能捕获技术

3.1功率调节

功率调节的技术很重要。当风速大于额定风速时，因为机械强度等制约着风轮机，应该降低其转化效率，最好让其运转在额定功率。这样风轮机的转速会下降，也就减少风对其的压力。也因此保证了运行的安全性。定桨距失速调节、变浆距角调节和混合调节都属于功率调，调节原理如图3-1所示[13]。

风速Vw 浆距角β 转速 风速Vw 浆距角β 转速 攻角α 转向 F Fd

转向 攻角α F F1 风向 Fd

风向 F1 叶型弦线

风轮回转平面风轮回转平面叶型弦线

(a) 设计工况

图中F为作用在桨叶上的气动合力，该力可以分解为F1和Fd两部分；Fd与风速VW垂直，称为驱动力，使桨叶旋转做功；F1与风速VW平行，称为轴向推力，通

过塔架作用在地面上

3.1.1定桨距失速调节

定桨距是指风轮机的浆距角固定不变的。当叶片的上下叶面通过空气流时，叶片的弯曲面上的气流加速，压力下降，然而叶片凹面气流的速度降低，压力增大，就在叶面上产生了压差，其方向指向弯曲侧。如图3-1(b)所示，当风速VW增

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(b) 定桨距失速功率调节

图3-1 功率调节方式原理图

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大时，因为浆距角β固定，所以攻角α就变大，向上的力增大，增加到一定攻角后，将会出现涡流。之后向上的力会降低，这样就出现了叶片失速的现象，功率在这种状态下就会受到，减少的功率的增大。

因此，由于定桨距失速控制并没有变桨距角的执行机构也没有功率反馈的系统，整个风轮机的部件较少、简易的风轮机结构、建造风轮机的价格相对便宜，而且风轮机的安全系数也非常高。而缺点就是这种失速控制方式对叶片的制造工艺有非常高的要求，因为这种方式对叶片翼型的结构要求相当独特。随着市场上风轮机的叶片逐渐增长，风轮机的功率逐渐加大，对风轮机的推力逐渐加大，这样削弱了叶片的强度，并且控制失速的动态特性的难度也越来越大，因此这种调节在控制大型风力发电机组的功率基本不应用。

3.1.2变浆距角调节

变桨距角型是指的浆距角可以改变，由风速决定其大小。由于风速逐渐的提高，一直下去功率会超出规定值，这样就应把浆距角β变大，攻角α就被降低，进而降低功率输出。

在变桨距角机组启动的时候，风轮机的转速地可以控制的，这样对并网以后的功率就可以加以控制，就能改善风力发电机启动时的性能和输出功率等特性。在阵风的环境下，变桨距角调节的风力发电机对风轮机的叶片、塔架的冲击要小于失速调节型的风力发电机组对其的冲击力，这样对材料的要求就降低了许多，整个发电机的质量也随之降低。其劣势在于对变桨距角的调节机构的要求非常高，在阵风的条件下，风力发电力机的变桨距角调节系统要做出快速的响应，以便在环境恶劣的情况下降低风力发电机的功率波动[14]。

3.1.3混合调节

定桨距角调节和变桨距角调节的组合调节就被称为混合调节。在风速较低时，应该运用变桨距角调节，这样能够提高风能的利用效率；随着风速的提高风力发电机的功率也会随之增大，当其增大到额定功率时，就应让浆距角β的度数减小，从而增大了攻角α的度数，加大了风轮机叶片的失速效应，就达到了降低风能的利用率。在这种方式调节下就降低了变桨距角的控制的难度。

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3.2变转速运行

3.2.1影响风力机功率的因素

三个因素对力发电机组的输出功率很重要，其为风速VW、浆距角β和高速特性系数λ（uR2Rn，与风轮机转速n有关）。 VWv60VW风轮机功率P为[15]

13 P=CP(,)R2VW (3-1)

2Rv2Rn (3-2) 60VW 式中P为风轮机的吸收功率，W;

kg/m3; R为风轮机半径，为空气密度，

m; λ为尖速比，是叶尖速度与风速的之比；

2n; (3-3) 为风轮机角速度，rad/s, 60 CP,为风能利用系数，最大值是贝茨极限59.3%， CP曲线如图3-2所示。

0.50.450.40.35β=0°β=2°β=5°β=10° 风能利用系数cp0.30.250.20.150.10.050 051015叶尖速比

图3-2 CP,曲线

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CP,曲线是保持浆距角β不变的风力机性能变化，不同浆距角对应每条

曲线的最高点的横坐标值称为最佳尖速比opt，根据图3-3，只要使得风轮机的速比λ=opt不变，即风轮机叶尖速度u（相应的转速n）与风速VW同步增减，风轮机能工作在CPmax下。

当风速改变时，要确保风轮机在最佳速比opt下运行，就应调节其转速，这其实就是变转速控制，如图3-3所示。

高风速Vw

高转速 风速Vw 风入口相对速度 攻角α 浆距角不变

转向

浆距角β 转速

叶型弦线

风向 风轮回转平面图3-3 变转速控制

3.2.2变转速运行的特点

变转速运行与很转速相比有以下几个优点。

(一) 非常好的效率，实现了简单的浆距角调节。这种运行方式对控制

浆距角的响应速度的要求比较宽松，简化了浆距角的控制系统，对峰值功率的要求降低了。在风速较低时，浆距角的值不变，在风速较高时，为了不使输出功率过大，相应的变换浆距角的大小。

(二) 高效率的系统。风力机在这种运行方式中可以实现在最佳叶尖速度比和

最大功率点工作，这样风力发电机的运行的效率就得到了显著提高，对

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比于恒速/恒频风力发电电系统，增大了10%的年发电量。

(三) 阵风的能量也能有效的利用。当阵风吹动风轮时，加大了风轮的转速，

同时风轮机的转动惯量储存了多余的阵风能量，这样就降低了阵风对风力发电机组的冲击，同时也降低了发电机因过度疲劳而损坏，对于风力机的寿命也得到了增长，在阵风的风速减小时，由于这时的风轮机在高速的转动，那么风轮机的动能就转化为了电能。

(四) 运行时的噪音得到有效的降低。在风速较低时，风轮机的转速很低，这

样其噪声也随之被降低了。 (五) 功率的品质得到提高。

3.3风力发电机变速/恒频技术 3.3.1并网运行风力机恒定问题

1恒转 风力机并网以后，频率要与电网频率一样。有两种方法使频率恒定：○速/恒频系统，失速调节或者混合调节被应用其中，异步感应发电机的应用也是

2变转速/恒频系统，这一系统的作用就是要将变化的频在很转速运行的时候；○

率确定为恒定频率，变频器在其中其关键作用。如图3-4所示，箭头的方向为功率传输的方向。

3.3.2变速/恒频风力发电机种类

（1） 异步感应发电机。接入电网的方式是通过软并网装置，这种装置是由

晶闸门控制的。这种发电机要安装电容无功补偿装置，电机在同步速度范围下并网时会出现很大的冲击电流。

（2） 绕线转子异步发电机。这一电机的转差率比较大，因为在能调节转子

电阻。转子电阻的阻值可由电力电子器件改变，这样转差率也得到了改变。

（3） 双反馈感应发电机。电网和双向变频器都与转子相连，所以功率沿两

个方向传输。风速在不同的情况下，转子电流频率做出相应的变化，从而达到恒频控制。

（4） 同步发电机。其风力电机组去掉了齿轮箱，且应用了直接驱动的方式。

因为齿轮传动加大了风力机的噪音同时风能转化为电能的效率也降低了。

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P 齿轮箱 发电机 频率变换器 功率bank （1）异步感应发电机 电网 频率变换器 齿轮箱 发电机 P 电网 （2）绕线转子异步发电P 频率变换器 齿轮箱 发电机 P 电网 （3）双馈感应发电机 P 频率变换器 发电机 频率变换器 电网 P （4）同步发电机 图3-4 大型并网风力发电机组典型配置

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3.4最大风能捕获原理

根据贝茨理论，风力机的功率与风速的三次方成正比，如上面公式(3-1)、(3-2)所示。

当浆距角β的值一定时，叶尖速度与风速之比称为叶尖速度比λ，并且叶尖速度比决定了风力发电机的风能利用系数CP的大小。如图3-2所示的CP-λ的曲线。可以看出，一台风力机其桨叶和浆距角都为定值时，总会存在最佳叶尖速比

opt这一点使其对应的风能利用系数为最佳，即最佳风能利用系数CPmax。保持风能利用系数在最佳时，风轮机将风能转化为机械能的效率最高[16]。如果要保持较高的转化效率就应让λ=opt一直保持不变，这样每一时刻的风力机的转速对要对应这一时刻的风速才能实现λ=opt。也就是说每一时刻的风速V都会有一个特定值，此时就能计算出风力发电机的最佳转速从而达到λ=opt，那么只有保持风力发电机在这一转速m下运行，风能利用率才能达到最高。如图3-5所示，每个风速都会对应一条功率曲线，每条功率曲线都有最大的功率点，连接这些最大功率点就能得到最佳功率曲线[17]。

P

最佳功率曲线 v1 v3 n3v2 n n2n1 图3-5 不同风速下的功率曲线及最佳功率曲线图

风力发电机最佳功率与发电机转速的关系如下：

Pmaxkn3 (3-4)

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12R 式中，kRCPmax 2opt 图3-5是风力发电机的输出功率特性曲线，其中的风速的大小为

V1>V2>V3。每个风速都会对应一条功率曲线，每条功率曲线都有最大的功

3率点，连接这些最大功率点就能得到最佳功率曲线，可以用Popt曲线来表示。如图3-5可以知道，在保持一个特定的风速不变时，风力发电机的输出功率会随着风力发电机转速的增加而先增大都减小。如果要实现风力发电机的输出功率曲线为Popt曲线，就应该使叶尖速比达到最佳，这时风力发电机才能捕获最大的风能，要让叶尖速比达到最佳，就应改变风轮机的转速n。转速值与相应风速的值满足最佳尖速比的公式。以上描述被称为变速/恒频发电技术的原理。

由变速/恒频发电的技术原理可知，实现最佳功率多的输出可以再风力发电机达到额定功率之前，这样会有很高的效率。然后风力发电机达到额定功率后，在使风力发电机的输出功率稳定在额定功率，如图3-6所示。

PN nN 图3-6 变速/恒频风力发电系统功率曲线

风力发电机的最大功率输出工作方式为：当风速没有达到额定风速时，风力发电机的运行方式应该使风轮机的浆距角不变，改变发电机的转速，其调节方式用变频器调节。调节发电机的转速就是为了实现发电机在最佳叶尖速比下运行，这样才能使风力发电机捕获最大风能和输出功率达到最佳[18]。

恒定的功率输出工作方式为：当风速达到额定风速时，应调节风轮机的浆距

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角的大小。因为风力发电机要降低风能利用系数就应控制浆距角的大小，进而使风力发电机的转速和输出功率得到控制。这种控制方式避免了当风速超过额定风速时，风力发电机组由于转速过快和功率过大造成风力发电机损坏。

由于一般情况下风场中的风速都比较低，因此风速在低于额定风速时变速/恒频发电机运行方式是非常高效的。这种情况下如何捕获最大风能是变速/恒频风力发电系统的控制目标，直驱永磁同步发电系统的控制方式也是为实现这一目标而提出来的。

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第四章 直驱型风电系统最大风能捕获影响因素仿真与分析

4.1风能利用系数的建模和仿真分析 4.1.1风能利用系数的建模与仿真

由贝茨理论可以得出，风力发电机组的输出功率受三个因素的影响：风速浆距角β和高速特性系数λ（VW、

风轮机功率P为

13 P=CP(,)R2VW (4-1)

2uR2Rn，与风轮机转速n有关）。 VWv60VWRv2Rn (4-2) 60VW 式中，P为风轮机的吸收功率，W; 为空气密度，kg/m3; R为风轮机半径，m; λ为尖速比，是叶尖速度与风速的之比；

2n 为风轮机角速度，rad/s, ; (4-3)

60 因此，由以上公式可以看出，当风力保持不变时，风力机的输出功率至于风能利用系数CP有关。为此对风能利用系数CP进行建模仿真，并对结果进行分析从而得出风能利用系数对功率P的影响。

为了得出更加清晰的仿真结果，CP选用如下公式[19]

116i Cp0.51760.45e0.0068 (4-4)

i21 其中，β为风轮机的浆距角，λ为风轮机的叶尖速度比，1Rv2Rn。 60VW

i10.0353 (4-5)

0.081根据公式(4-4)和(4-5)，建立了风能利用系数CP与叶尖速比λ以及浆距角β的模型，如图4-1所示。

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2R32*pi4Vwf(u)lamdaf(u)5nlamdaif(u)Cp_Fcn1Cp1beta

图4-1 风能利用系数CP的模型

模型中有六个输入端口，其中输入端口1为浆距角β，输入端口2为风轮机桨叶的半径R，输入端口3为常系数2π，输入端口4为风速，输入端口5为风轮机的转速。自定义函数lamda为上面叶尖速比λ的公式，lamdai函数为公式4-5，CP函数为公式4-4，最后输出CP。

4.1.2分析仿真结果对风电系统最大风能捕获影响

首先，对图4-1风能利用系数的模型进行仿真，可以绘制出风能利用系数CP、叶尖速比λ和浆距角β的关系图，如图4-2所示。

根据图4-2可以得出，风能利用系数CP与叶尖速比λ和浆距角β 都有关系。并且得出当浆距角β保持不变时，风能利用系数CP的值随着叶尖速比λ值的增大而先增大后减小，当浆距角β等于零时风能利用系数CP随着叶尖速比λ的增大而达到最大值，即当β=0，λ=8.1时，风能利用系数CP有最大值CP=0.49。因

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此，如果要使风能利用系数CP最大，即要获得最大风能效率应该把浆距角β调为零度。

0.50.450.40.35 β=0°β=2°β=5°β=10°风能利用系数cp0.30.250.20.150.10.050 051015叶尖速比

图4-2 风能利用系数与叶尖速度比的关系曲线

仿真结果说明，当陆地上风速稳定不变，浆距角β也不变的时候风能利用系数只与叶尖速比λ有关。由叶尖速比公式Rv2Rn可知，风速不变时，叶60VW尖速比λ的值与发电机的转速n成正比关系，所以可以得出随着风力机转速的变化必然可得到一个值使风能利用系数CP达到最大，这时风能利用率也最大。 将输入端口2的半径取为20m，输入端口1的浆距角β值取为零度，规定额定风速为12m/s，风速分别取为6m/s、8m/s、10m/s和12m/s，空气密度为1.225kg/m3，可以得到图4-2不同风速下风能利用系数CP与发电机转速之间的关系。

图4-2说明，在额定风速以下时，在一个固定的风速时，发电机都存在一个值使风能利用系数CP达到最大值，也就是能够捕获最大风能。所以在额定风速以下时，想捕获最大风能应该调节风轮机的转速，使叶尖速度比达到最佳就能到最大的风能利用系数，从而捕获最大风能，这样就能提高风能转化为机械能的效

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率。

0.5 0.45v=6m/sv=8m/sv=10m/sv=12m/s0.40.35风能利用系数cp0.30.250.20.150.10.050 0123456发电机的转速

图4-3 不同风速下CP与发电机转速的关系

1R22*pi3Vw4n5beta6air densityIn5In3Out1In1In2In4f(u)Pm_FcnCp_Fcn1Pm2DivideTw

图4-4 风轮机输出功率模型

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4.2风力发电机输出功率的建模和仿真结果分析 4.2.1风力发电机输出功率的建模

风轮机的输出转矩与风速的关系

TW20.5R3VWCP (4-6)

根据公式4-1和4-6，可以建立风力发电机的输出功率模型，如图4-4所示。图中风能利用系数CP_Fcn的子系统为CP函数如图4-1，自定义函数

Pm_Fcn的公式为4-1，最后输出为输出功率Pm和输出转矩TW。

4.2.2分析仿真结果对风电系统最大风能捕获影响

由图4-4风轮机的功率输出模型可以绘制出当浆距角取为零时，不同风速下风轮机转速与输出功率的关系，如图4-5所示。

2.5x 106v=12m/sv=14m/sv=16m/sv=18m/s 2发电机输出功率1.510.50 051015发电机的转速

图4-5 不同风速下风轮机转速与输出功率的关系

由图4-5可知，在风轮机转速达到一定的时候，输出功率与风速的增加而增大。当风速大于额定风速时，风轮机的输出功率随着风速的增大而超出了风轮机的额定功率。如果这种情况一直持续下去，那么对发电机的损耗会相当大。因此，如果风速超出额定风速时，应该降低输出功率使其降回输出功率，这样风轮机才

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能正常安全的运转。

在风速超出额定风速时，为了降低输出功率，由CP的公式和图4-2可知应该降低浆距角，如图4-6输出功率与不同风速和浆距角的关系。

7x 1056v=12m/s,β=0°v=14m/s，β=7.7°v=16m/s，β=14.1v=18m/s，β=,20.1° 5发电机输出功率43210 024681012发电机的转速

图4-6 不同风速、浆距角和输出功率的关系

如图4-6可知，在额定风速12m/s的情况下，浆距角β=0时输出功率达到最大并且为额定功率。当风速超过12m/s的额定风速时，要使发电机的输出功率仍保持在额定功率就要增大浆距角。因此，在风速达到额定风速以上时，应该调节浆距角从而控制发电机的输出功率始终保持在额定功率。

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第五章 结论

根据仿真结果可以知道，由于变速/恒频发电的技术，在理论上可以在风力发电机达到额定功率之前使风力机组输出最佳功率，这样风力发电机的转化效率会较高。然后风力发电机达到额定功率后，在使风力发电机的输出功率稳定在额定功率。

由此可知风力发电机的最大功率输出工作方式为：当风速没有达到额定风速时，风力发电机的运行方式应该使风轮机的浆距角不变，改变发电机的转速，其调节方式用变频器调节。调节发电机的转速就是为了实现发电机在最佳叶尖速比下运行，这样才能使风力发电机捕获最大风能和输出功率达到最佳。

恒定的功率输出工作方式为：当风速达到额定风速时，应调节风轮机的浆距角的大小。因为风力发电机要降低风能利用系数就应控制浆距角的大小，进而使风力发电机的转速和输出功率得到控制。这种控制方式避免了当风速超过额定风速时，风力发电机组由于转速过快和功率过大造成风力发电机损坏。

由于一般情况下风场中的风速都比较低，因此风速在低于额定风速时变速/恒频发电机运行方式是非常高效的。这种情况下如何捕获最大风能是变速/恒频风力发电系统的控制目标，直驱永磁同步发电系统的控制方式也是为实现这一目标而提出来的。

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附 录

附录A外文文献翻译

级联的变速恒频风力发电系统

摘要：本文提出了一种新型的级联变速恒频风力发电系统，在功率分配技术的基础上，变速恒频的发电系统发电的效率很高，为风力发电的开发和利用提供了新的途径。该系统集成了直驱型系统和双馈型系统的功能，其主要优点如下：取消了齿轮箱，从而提高了系统的可靠性；减小了频率转换器的功率容量，从而降低了系统的成本；同步发电机直接连接到电网上，从而优化了电力质量。详细分析了这一新型系统的工作原理和结构特点，论述了系统的设计和实现的关键点，说明了其技术的特点和应用的范围。

关键字：风力发电；功率分配传输；变速恒频； 1、引言

风力发电是目前发展最快的可再生能源技术，这是最有可能成为主要的供电形式。它是取之不尽，用之不竭的，无污染，无害生态。这些特性使其发挥了重要的作用，从而保证了未来人类社会的可持续发展。

风力发电是不稳定的能源并且风速变化也很频繁。但是，在发电机和电网连接时需要一个恒定的频率。为了解决风速与风力发电频率的矛盾，人们提出了多种解决方案，其中基于变速/恒频风力发电是最好的方法，这一方案能在不同风速下捕捉最大风能。

目前，基于变速/恒频的风力发电主要有两种方法：基于双馈感应发电机的双馈系统和基于低高速永磁同步发电机的直接驱动系统[1-2]。

双馈系统实现了连续可变风速的功率分配操作，电子设备的电源转换了部分功率，因此这就表明成本的相对减少。但是，由于异步发电机级数的，要求用齿轮箱来增加风轮机与双馈感应电机之间的速度。目前，低速直驱型发电机组消除了齿轮想所带来的问题，并且其已经成为了大容量风力发电机的主要选择。 到新世纪的今天，以复合传输的风力发电技术已经成为研究的热点。国内和国际研究团队也提出很多方法[3-8]，用较低的成本来实现变速/恒频发电的功能。 但是，齿轮箱的可靠性仍然是一个需要解决的困难问题。

参考文献[9]提出了通过电磁CVT将风轮机的机械能转化为恒定转速的机械能，然后将发电机输出的电能提供给电网。上述系统去掉了齿轮箱，但由于多级能源的转换，降低了风能利用的效率。 2、级联系统的结构和原理

如图1所示的级联系统[10]，包括了风力涡轮机，双转子电机和低速同步电动机。双转子电机和普通电机之间的差异是双转子电机能脱离定子的束缚并使定

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子变成外转子。一个转子R1连接到风轮机，另一个转子R2与输入轴电机M连接。

图1 级联系统示意图

为了更好的理解系统的工作原理，假设双转子发电机为为永磁同步电机，其中一个转子R1内置的三相绕组与变频器的滑环相连，转子R2有永久磁铁的两极。当三相电流通过转子R1的绕组时，其低速旋转形成磁场。假设频率为f，那么磁场的转速为'2f。将转子R1的转速'与与机械转速i叠加，形成旋转磁场的转速为'j。当转子R2的转度为j时，根据电机的工作原理可以得到公式（1）

j'i （1）

设转子R1和转子R2相互之间的电磁转矩为为T，当系统稳定运行时公式（2）成立

TjTiT' （2）

因此，不考虑电机的内部损耗，通过转子R1的功率T''与通过电机M 的功率Tjj的和等于风轮机的输入功率Tii。

基于上述分析，可以归纳出级联结构是一个典型的两自由度动力系统。其数学性质类似于以多自由度的行星齿轮系统为基础的复合传输系统。由双转子电机和低速电机组成的级联复合单元被适当的控制能够实现变速恒频发电。通过控制双转子电机的功率分配，风轮机能够在最佳叶尖速比旋转。因此，在整个运行过程中，这一系统能够最佳功率系数。

为了进一步描述新方案的功能，下面文章分析了双转子电机在不同案例中的功率分配属性。

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3、应用实例分析 3.1第一个实例

双转子电机是低速永磁同步电机。外转子内置一个三相绕组并通过滑环与电网相连，内转子具有永磁极点。伺服电机是含有多对级的低速永磁同步电机，定子中含有一个三相绕组并通过变频器有电网相连。

在变频器的控制下，伺服电机内转子的旋转速度为j。机驱动的外转子速度为i。根据同步发电机的原理，双转子电机输出功率的频率fij。假设双转子电机的同步转速为n，然后，通过变频器调节转速j为in，所以其能够提供恒定频率给电网。

当j>0时，变频器能够从电网吸收部分功率，叠加到风轮机的输出功率上，然后通过外转子发送到电网。剩余部分的功率通过伺服电机和变频器输送到电网。

3.2第二个实例

双转子电机为永磁同步电机，外转子内置一个三相绕组并通过滑环连接到变频器上，内转子有永久磁铁的两极。发电机G是含有多对极的低速同步电机，定子SG的三相绕组直接连接到电网。与内转子转动对比，外转子转动是通过风轮机驱动的，外转子和内转子相互之间的电磁转矩拖动内转子和发电机转子一起旋转。它们都为同向旋转，但转速可能不一样。

为了提供恒定频率到电网，应改变外转子变频器的电流的冲击频率，相应的调整j轴的转速j是其达到相应发电机的同步转速n并且稳定的运行。 当i>n时，双转子能够将风轮机的大部分机械功率直接传输到发电机，其余部分功率被转化为电能，然后通过变频器供应到电网。当i<n时，变频器从电网网上吸收一部分功率，这部分功率叠加到风轮机输出的机械功率，然后通过内转子发送到发电机并最后终传送到电网。 4、机组系统的属性

级联系统发电机组的额定功率为600kw,额定转速为40rad/s，额定风速为15m/s，切出风速为20m/s，最佳叶尖速比为9。 4.1效率分析

设风轮机的功率为PiTii，双转子伺服电机的有效输出功率为

PjTjjTijTiin (3)

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剩余功率PDMTin驱动双转子电机运行。

双转子电机的发电效率为DM，双转子电机到电网的输出功率为：

'PDMPDMDMTinDM (4)

伺服电机的运行效率为M，变频器的运行效率为T，因此伺服电机和变频器到电网的传输功率为

'TiinMT (5) PGD 输出到电网的总电功率

''PGDPDMPGDTinDMTiinMT (6)

根据上面的分析，如果选择合适的功率分配比PjPDM,风力发电机组的大部分功率能够直接输送到电网。双转子电机和伺服电机的功率最佳分配能减少传输损耗，并提高了整个系统的运行效率。 4.2运行模式研究

变速/恒频风力发电机的控制策略是，在额定风速以下时，可以通过控制风轮机的转速使其达到最佳功率系数Cp从而获得最大风能。在额定风速以上时，风轮机的功率利用系数Cp可以通过浆距角来调节，所以发电机能够输出恒定功率，如图2(a)所示随着风速的变化叶尖速比与功率利用系数的曲线。

为了充分利用该系统的功率分配功能，额定功率设定为450Kw,额定转速设为30rad/min，伺服电机和变频器的功率容量设为150kw，并且额定转速设为10rad/min最大旋转速度设为30rad/s，根据公式(1)~(6)，可以得到功率利用系数与风速之间的关系，如图2(b)所示，功率与风速的关系，如图2(c)所示。

图2 系统的曲线特性

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当风速在11.25m/s以下时，伺服电机的速度为正，这时电机处于电动状态并且送电网接收电力。

相反，伺服电机的速度为负时，伺服电机工作在发电状态，并向电网发电。进一步增加速度（超过额定功率），叶尖速比和功率系数开始下降，系统被认为在额定功率状态下运行。 5、结论

基于级联系统的风力发电不具备变速/恒频的功能，但也可以带来以下有益的效果：

1部分风轮机的输入功率通过直接分支发送到电网，提高了系统的运行效 ○

率。

2系统去除了齿轮箱，减少了系统的故障率，提高了系统运行的可靠性。 ○

3电气传动功率分配的容量依赖于风速的调节，一般发电机的额定容量是○

比较小的，因此系统中电器元件的额定功率容量被明显减小。 6、谢辞

本项目由中国国家自然科学基金支持。 参考文献

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Cascaded Wind Power Generation System with Variable Speed

Constant Frequency

Keywords: Wind power generation; Power splitting transmission; Variable speed constant frequency(VSCF)

Abstract. A novel cascaded wind power generation system with Variable Speed Constant Frequency (VSCF) is presented in this paper, it has the capability of VSCF generation with high efficiency based on the technology of power splitting, and provides a new way to exploit and utilize wind power. The system integrates the features of direct-driven system and doubly-fed system, and its main advantages are as follows: cancels the gear box so as to improve the reliability of system, reduces the power capacity of frequency converter so as to reduce the costs of system, synchronous generator connecting to the grid directly so as to optimize the quality of electric power. Working principle and construction of this new mechatronic system is analyzed into details, general key points for system designing and realizing are also discussed, its technical features and applied perspective are also revealed. 1. Introduction

Wind power generation is currently the fastest developing renewable energy technology, which is most likely to become the mainstream power supply. It is inexhaustible, pollution-free and harmless to the ecology. These characteristics will make it play an important role to ensure the sustainable development of human society in the future.

Wind power is an instability source and wind speed changes frequently. But it requires a constant frequency when the generator and power grids are connected. In order to solve the contradiction between wind speed and wind power frequency, people proposed a variety of solutions, among which wind generation based on VSCF

is the best method to maximize wind energy capture under different wind speeds. Presently the wind generations based on VSCF mainly have two methods: doubly-fed system based on doubly-fed induction generator and direct-drive system based on low speed permanent magnet synchronous generator [1-2].

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Doubly-fed system achieves an operation of continuously variable speeds by power splitting; electronic devices of power only convert a part of the power, so it means relatively lower costs. However, due to the restriction of poles number of the asynchronous generator, a gearbox is needed to increase the speed between the wind turbine and the doubly-fed generator. Currently low-speed direct-drive wind-generating units which can eliminate the problems caused by gearbox, has been used as the mainstream of large capacity of wind generators. In the new century, the technology of wind power generation based on composite transmission has become a research hotspot . Domestic and international research teams also propose lots of methods [3-8] to achieve the functions of VSCF power generation with lower costs. But the reliability of the gear box is still a difficult problem to be solved.

Reference [9] puts forward that the mechanical energy from wind turbine can be convert to mechanical energy having constant rotational speed through electromagnetism CVT, and then drive the generator to supply power to the grid . The system mentioned above cancelled the transmission of gears, but the efficiency of wind energy utilization is reduced by multistep power conversion. 2. Structure and Principle of Cascaded System

From Fig. 1 we can see a cascaded system [10], which consists of wind turbine, dual-rotor motor and low-speed synchronous motor, and so on. The difference between the dual-rotor motor and ordinary motor is that the dual-rotor motor can release the constraints to stator and make the stator turn into external rotor. One rotor

R1 connects to wind turbine, and the other rotor R2 connect with the input shaft of

motor M.

Figure1. Schematic diagram of cascaded system

In order to explain the operating principle of the system better, we suppose that the dual-rotor motor is permanent magnet synchronous motor, one rotor R1 has a built-in three-phase winding connecting with frequency converter by slip ring, the

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other rotor R2 has the permanent magnet poles. When a three-phase low-frequency current pass through the winding in rotor R1, a low-speed rotating magnetic field is formed. Suppose that the current frequency is f , and then the rotational speed of the magnetic field is'2f . Superimpose ' on the rotor R1 machinery speed i, a rotating magnetic field with a speed of 'j is formed. As the rotational speed of rotorR2isj, Equation (1) can get according to the operating principle of the motor,

j'i (1)

As the interactive electromagnetic torque between rotor R1and rotor R2isT', Equation (2) is workable when the system is running steadily,

TjTiT' (2)

Hence, without considering the internal losses of the motors, the power

T''passing through rotor 1 R and the powerTjjpassing through motor M equal to

the input power Tiifrom the wind turbine.

Due to the analysis above, it can be summarized that the cascaded structure is a typical two-DOF dynamic system. Its mathematical nature is similar to the composite transmission system based on planetary gear's splitting system which has multiple degrees of freedom. By appropriate control of frequency conversion, the cascaded composite unit which is made up of dual-rotor motor and a low speed motor can also achieve the function of VSCF power generation. By controlling the power split ratio of dual-rotor motor, we can make the wind turbine work in the best tip-speed ratio. Hence, the system can obtain the best power coefficients within the whole operating speeds.

In order to describe the function of new scheme further, the following passage analyzes the properties of power splitting of dual-rotor motor in different examples. Solid line means the flow of mechanical power, and dotted line means the flow of electric power.

3. Analysis on Application Examples 3.1 First Example

Dual-rotor motor is a low-speed and permanent magnet synchronous generator.

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External rotor has a built-in three-phase winding connecting to power grid by slip ring, the inner rotor has permanent magnet poles. The servomotor is a low speed and permanent magnet synchronous motor which contains multiple pairs of poles, the

stator contains a three-phase winding connecting to the grid by frequency converter. By the control of frequency converter, the servomotor drives the inner rotor R2 to rotate, and its speed isj. Wind turbine drives external rotorR1to rotate with a speed of i. According to the principle of the synchronous generator, dual-rotor motor output electric power, of which frequency isfij.Assuming the corresponding synchronous speed of dual-rotor motor isn, then, the target speed of

jadjusted by frequency converter isin, so it can supply constant frequency for the grid.

Whenj> 0, part of the power is absorbed from the grid by frequency converter, and superimposed on the output of mechanical power from the wind turbine, then transmitted to the grid through external rotor R1 .

Whenj<0, dual-rotor motor transforms most of the mechanical power of wind turbine directly to electric power, then transport it to the grid. The remainder of the power is transported to the grid through servomotor and frequency converter. 3.2 Second Example

Dual-rotor motor is a permanent magnet synchronous motor. External rotor R1 has a built-in three-phase winding connecting to frequency converter by slip ring, the inner rotorR2has permanent magnet poles. Generator G is a low-speed synchronous generator which contains multiple pairs of poles. The statorSGcontains three-phase winding which connects to the power grid directly.

When external rotor relatively rotates compared with inner rotor driven by wind turbine, the interactional electromagnetic torque between external and inner rotor, drag the inner rotor and the generator rotor to rotate together. The rotations between them are co-rotating but the speeds value may be different.

In order to supply constant frequency for the grid, we can change the frequency

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of excitation current of external rotorR1by frequency converter, accordingly , the speedjof shaft j is adjusted until it reaches the corresponding synchronous speed

nof generator and work stably.

Wheni>n, dual-rotor motors transmit most of the mechanical power of wind turbine to the generator directly, and the remainder is transformed to electric power, and then supply to the grid through the frequency converter. Wheni<n,the frequency converter absorb part of the power from the grid , and this part of the power is superimposed on the output of mechanical power from the wind turbine , which is then transmitted to the generator through inner rotorR2, and finally transmitted to the grid.

4. Mechnisim of System Operation

A cascaded system has a rated power of wind turbine of 600kw, a rated rotational speed of 40 rpm, a rated wind speed of 15 m / s, a cut-out wind speed of 20 m / s, and a best tip speed ratio of 9. 4.1 Efficiency Analysis

Assuming the power from the wind turbine isPiTii，the effective power transmitted from the dual-rotor motor to the servomotor is:

PjTjjTijTiin (3)

The remaining powerPDMTindrives the dual-rotor motor to work.

The power generation efficiency of dual-rotor motor isDM,the power transmitted from the dual rotor motor to the grid is:

'PDMPDMDMTinDM (4)

The operating efficiency of the servomotor isM, the operating efficiency of frequency converter isT, so the branch power transported through servomotor and frequency converter to the grid is:

'PGDTiinMT (5)

The total electric power transported to the power grid is :

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''PGDPDMPGDTinDMTiinMT (6)

According to the above analysis, if we choose the appropriate power split ratioPjPDM, most of the power from wind turbine is transported directly to the grid. The optimal matching of the dual rotor motor and the servomotor can reduce the transmission loss, and improve the overall operating efficiency of the system. 4.2 Study on Operating Modes

The control strategy of VSCF wind turbine generators is that, the wind speeds under the rated wind speed are in a scope, in which we can achieve the best power coefficientCpby controlling the rotational speed in order to get the most energy. But in the range of high-speed, power coefficientCpof wind turbine is adjusted by changing the blade pitch angle, so we can output a constant power of the generator. Fig. 2(a) shows curves about the tip-ratio and the power coefficient as the wind speed changes.

To take full advantage of the features of power splitting of the system, the rated power is set at 450kw, the rated rotational speed is set at 30rpm, the power capacity of the servomotor and the frequency converter is set at 150 KW, the rated rotational speed is set at 10rpm and the maximum rotational speed is set at 30rpm. According to (1) ~ (6), we can get the relationship between each axis and wind speed as shown in Fig. 2(b), and the curve of wind speed and the power flow of each axis as shown in Fig. 2(c).

Figure .2 Characteristic curves of the new system

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When wind speed is less than 11.25 m/s, the speed of the servomotor is positive, at this time the servomotor is working in electromotion state and it receives electricity from the grid.

Conversely, the speed of the servomotor is negative, so the servomotor is working in generating state, and transferring electricity to the grid. With further increase of the wind speed (over rated speed), tip speed ratio and power coefficient start to decline, and the system is said to be working at the state of rated power. 5. Conclusion

The wind power generation based on cascaded system doesn’t only have the function of VSCF, but also can bring the following beneficial effects:

First, most input power of the wind turbines is sent to power grid through direct branch, which can improve the operation efficiency of the system.

Second, the system removes the gearbox in transmission process, so as to reduce the rate of system fault and improve the operational reliability.

Third, the capacity of splitting power in electric transmission depends on the range of speed regulation, generally it is small compared with the rated capacity of generator, so the rated power capacities of electrical components in the system can be reduced evidently. 6. Acknowledgment

This work is supported by the national natural science foundation of China (50805049). References

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谢 辞

尊敬的老师： 你们好！

在院系领导的大力支持和指导老师的辛勤指导下，在同组同学大力帮助及本人的认真努力学习下，我们的毕业设计已接近尾声。本次设计使我对风力发电知识有了一个比较全面的了解，也使我能够把所学过的专业知识运用其中，同时也是对我四年大学学习的一次检验。在此我要对我的指导老师成怡老师以及耐心帮助过我的其他老师和院系领导表示由衷的感谢！

大学生活是丰富美好的，在这里我不仅学到了知识，更多的是从老师及同学身上学到了许多做人的道理！我们即将走上工作岗位，我相信这些收获会使我受益终生！工作后我将再接再厉，努力上进，为我们电气工程与自动化学院争光！绝不辜负老师们对我的期望和教导！

此致

敬礼

学生：杨建东

2013年6月1日

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