XXXXXXXXXX学
毕 业 文
题 目： 风力发电机设计风力发电系统研究
系： 电气信息工程系
专业： 电气工程动化 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： 风力发电机设计风力发电系统研究
系： 电气信息工程系
专业： 电气工程动化 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
声明：
1呈交毕业设计（文）老师指导进行研究工作取研究成果
2查证文中特加标注致谢方外毕业设计（文）中包含已公开发表研究成果包含获教育机构学位材料
3承诺提交毕业设计（文）中容均真实信
作者签名： 日期： 年 月 日
毕业设计（文）务书
题目： 风力发电机设计风力发电系统研究
姓名 系 电气信息工程系 专业 电气工程动化 班级 学号
指导老师 职称 教研室
基务求：
1）基数：额定功率 KW 连接方式 Y
额定电压 额定转速
相数 m3 功率数
效率 绝缘等级 F
极数 P2
2毕业设计课题完成设计容：
（1） 风力发电机电磁设计方案
（2） 风力发电系统研究
（3） 电机零部件图绘制
（4） 说明书
进度安排完成时间：
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：毕业实撰写实报告
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（文）
6月15日——6月17日：修改装订毕业设计说明书（文）电子文档传FTP
6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 绪 1
11 开发利风动 1
111 济驱动力 1
112 环境驱动力 2
113 社会驱动力 2
114 技术驱动力 2
12 风力发电现状 2
121 世界风力发电现状 2
122 中国风力发电现状[13] 3
13 风力发电展 3
第2章 风力发电系统研究 5
21 风力发电系统 5
211 恒速恒频发电系统 5
212 变速恒频发电机系统 6
22 变速恒频风力发电系统总体设计 9
221 变速恒频风力发电系统特点 9
222 变速恒频风力发电系统结构 9
223 变速恒频风力发电系统运行控制总体方案 19
第3章 风力发电机设计 25
31 概述[11] 25
32 风力发电机 25
321 风力发电机结构 25
322 风力发电机原理 26
33 三相异步发电机电磁设计 27
331 三相异步发电机电磁设计特点 27
332 三相异步发电机三相异步电动机差异[2] 27
333 三相异步发电机电磁设计方案 28
334 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 定子片图
附录 B 转子片图
附录 C 总装图
风力发电机设计风力发电系统研究
摘 ：文国外风力发电发展现状进行概述指出风力发电机发展趋势研究方阐述三相异步电机结构原理重点讲述三相异步发电机电磁设计方法列出具体电磁设计程课题研究异步发电机目前理想风力发电机前景非常乐观重点介绍目前风电场中采风力发电机组 包括风力机风力机功率调节恒速恒频变速恒频发电系统介绍风力发电机组三种典型控制策略理技术路线设计变速恒频风力发电系统设计方案程序简单结构清楚数精确设计程追求提高效率兼顾简化工艺降低成等特点
关键词： 新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 presentThe 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 highefficiencily look after both sides to simplify the craft decline low cost etc
Key words New energy resourceWind turbine generatorVariety invariable frequency
第1章 绪
11 开发利风动
风作种新源开发利定动着时间推移开发利风动变化面济环境社会技术进步四方面介绍风开发利动
111 济驱动力
1111 济优化
源供应济优化提供重视开发利基原理偏远区电力供应困难常规电网延伸柴汽油机发电相利型离网风力发电系统供电成优势例蒙古农牧区利型离网风力发电系统供电农牧户承担成约2元KW左右果电网延伸方法农牧户承担成高8元KW区利汽油柴油发电机供电考虑油料运输成农牧户承担成高6元KW
1112 化石源资源枯竭供应安全[5]
进入工业社会类飞速发展文明程中次源危机开始认识限制开采煤炭石油天然气等化石源终资源枯竭天目前石油储量约1300亿吨年消耗量约35亿吨计25年中均年消耗量达50亿吨加新发现油田专家估计总储量会超2000亿吨石油资源四五十年枯竭类社会持续发展务急寻找研究利生资源风作新源中具工业开发潜力生源格外引起瞩目
国家进口化石源满足国源消费风开发利减少国外源赖加强国源供应安全水国化石源价格变化较社会济稳定性增强
1113 促进源产业升级
风力发电技术属新兴技术风电产业阳产业风力发电技术研发示范商业化发展终进入市场整源产业带新活力成国民济种新济增长点国家果开发利风技术早占风利技术市场优势
112 环境驱动力
早先认识烟尘二氧化硫等区域性污染外世界越越开始认识二氧化碳等温室气体量排放全球气候变暖类社会带害影响冰山消融海面升高气环流海洋异常导致然灾害频发土沙漠化球村效应更加明显国认识必须采取措施减缓影响种变化减缓球变暖1997年日京召开联合国气候变化框架缔约方第3次会84国代表审议通京议定书求工业发达国家幅度削减二氧化碳等温室气体排放量迫重视寻找生代源风源转化工程中会产生排放量产生烟尘二氧化硫等区域性污染外会带全球环境污染
113 社会驱动力
风份额增加时会创造直接间接业机会工厂生产装机工程中创造业外设备维护方面会提供业机会
外国家（欧盟国家）中风开发利已成热点问题公众支持许民众十分关注风发展利风生源成生活方式绿色电力发展典型例子愿高化石电力价格购买风电生源电力
114 技术驱动力
着科技进步空气动力理断发展新型高强度轻质材料出现计算机设计技术广泛应动控制技术断改进机械电气电子元件制造技术成熟风电技术功率高效率高性高度动化方发展提供条件
12 风力发电现状
121 世界风力发电现状
20世纪80年代工业发达国家风力发电机组研制取巨进展1987年美国研制出单机容量32MW水轴风力发电机组安装夏威夷群岛瓦胡岛1987年加研制出单机容量40MW立轴达里厄风力发电机组安装魁北克省凯普柴特进入20世纪80年代单机容量100KW水轴风力发电机组研究开发生产欧洲丹麦德国荷兰西班牙等国取快速发展20世纪90年代单机容量100～200KW机组已中型型风电场中成导机型时单机容量1MW风力发电机组研制开发成功风电场中成功运行
世界风电总装机容量1997年底746万KW1998年底1015万KW1999年底1393万KW2000年达1845万KW2001年达2493万KW2002年达3112KW均年增长率30欧洲风协会预计全世界2020年风力发电装机容量超1亿KW占欧洲总发电量20世界源委员会预计全世界2020年风力发电装机容量达18亿～47亿KW
122 中国风力发电现状[13]
中国风力发电起步较晚发展较快目前风力发发电机组研制开发重点分两方面1KW独力运行型风力发电机组二100KW网运行型风力发电机组
20世纪80年代中期中国开始规划风力发电场建设1983年山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组开始网风力发电技术试验示范1986年新疆达坂城安装１台100KW风力发电机组1989年安装13台150KW风力发电机组年蒙古朱日安装5台美国100KW机组开始中国风电场运行试验示范特年中国风力风电场建设取较济效益巨发展统计2001年底中国建27座风电场装机812台总容量3998985万KW目前正处前期工作阶段正建设风电场遍10省市治区
13 风力发电展
风力发电技术目前断发展体现单机容量断增目前流发电机组功率升600～750KWMW级机组成批生产24MW级机组已实验生产必然采新复合材料新技术例单机容量断增桨叶长度断增长容量2MW风力机叶轮扫风直径达72m目前长叶片做50m桨叶材料玻璃纤维增强树脂发展强度高重量轻碳纤维桨叶柔性方发展早期风力机桨叶根直升飞机机翼设计风力机桨叶运行直升飞机空气动力环境中叶型进步改进增强风力机捕捉风效率例美国国家生源实验室研制开发种新型叶片早期风力机桨叶捕捉风力20目前丹麦 美国德国等风电科技较发达国家许专业研究员利较先进设备技术条件致力新叶型理应研究开发
中型风电机组设计中采更高塔架捕捉更风处坦带风力机50m高处捕捉风30m高处20
尤值注意着电力电子技术发展年发展种变速风力发电机组取消沉重增速齿轮箱发电机轴直接连接风力发电机组轴转子转速风阻改变交流电频率变化置面功率电力电子变换器频率定交流电整流成直流电逆变成电网频率交流电输出设计成风况获较空气动力效率提高捕捉风效率试验表明均风速67ms时变速风力发电机组恒速风力发电机组捕获15风时机舱重量减轻改善传动系统部件受力状况风力发电机组支撑结构减轻塔架等基础费降低运行维护费较低种发展前途技术[14]
风力发电场未发展趋集中：提高机群安装场选择准确性进机群布局合理性提高运行性稳定性实现运行佳控制进步降低设备投资发电成总装机容量1MW风力发电场占导位风力发电场风力发电机组单机容量百千瓦兆瓦级
外发展海风电场成新型风力发电机组应领域受重视丹麦德国西班牙瑞典等国规划较海风电场项目海风速较陆稳定般陆风电场均设备利2000h2600h海达3000h便浮吊施工海风电场般建水深3～8m处容量装机陆成增加60（海基础占23线路占20陆仅占5）左右发电量增加50
第2章 风力发电系统研究
21 风力发电系统
风力发电系统风力发电重部分仅直接影响转换程性效率供电质量影响前转换程运行方式效率装置结构研制选适合风电转换运行效率高控制供电性发电机系统风力发电工作重组成部分考虑发电机系统方案时应结合运行方式重点解决问题：
1) 高质量断变化风转换频率电压恒定交流电电压恒定直流电
2) 高效率实现量转换降低度电成
3) 稳定电网柴油发电机发电装置储系统联合运行户提供稳定电
目前广泛应恒速恒频发电系统变速恒频发电机系统面分作概介绍
211 恒速恒频发电系统
恒速恒频发电系统般说较简单采发动机两种步发电机鼠笼型感应发电机步发电机鼠笼型感应发电机前者运行电机极数频率决定步转速者稍高步速转速运行
风力发电中步发电机绝部分三相步电机输出联接邻三相电网输配电线输出联接邻三相电网输配电线三相电机起相额定功率单相电机般体积较效率较高便宜功率仅单相电网少数情况考虑采单相发电机
步发电机优点电网负载提供功功率台额定容量125KVA功率数08步发电机提供100KW额定功功率时电网提供+75KW75KW间功功率值仅网运行单独运行满足种负载需
步发电机缺点结构控制系统较复杂成相感应发电机较高
感应发电机称异步发电机鼠笼型绕线型两种恒速恒频系统中般采鼠笼型异步发电机定子铁心定子绕组结构步发电机相转子采笼型结构转子铁心硅钢片叠成呈圆筒形槽中嵌入金属（铝铜）导条铁心两端铝铜端环导条短接转子需外加励磁没滑环电刷结构简单坚固基需维护[6]
感应发电机两种运行方式网运行单独运行网运行时感应发电机方面电网输出功功率方面必须电网吸收落功功率单独运行时感应发电机电压建立需励程励条件电机身存定剩磁发电机定子输出端负载联组适容量电容器发电机磁化曲线电容特性曲线交正常运行点产生需额定电压
212 变速恒频发电机系统
20世纪70年代中期逐渐发展起种新型风力发电系统优点风轮变速运行宽风速范围保持恒定佳叶尖速提高风力机运行效率风中获取量恒速风力机高外种风力机结构实中优越性利电力电子学实现变速运行佳方法然恒速恒频系统相风电转换装置电气部分变较复杂昂贵电气部分成中型风力发电机组占例发展中型变速恒频风电机组受国家重视
变速运行风力发电机连续变速连续变速两类面分作概介绍
2121 连续变速系统
般说利连续变速发电机获连续变速运行某处全部处效果单转速风电机组较高年发电量定风速范围运行佳叶尖速附风速快速变化实际台单速风力机期连续变速系统样效获取变化风更重利转子惯性吸收峰值转矩种方法改善风力机疲劳寿命面介绍连续变速运行方式常种方法
1 采台转速发动机
通常采两台转速功率感应发电机某时间台联电网传动机构设计发动机两章风轮转速运行稍贵头部转速
2 双绕组双速感应发电机
种电机两定子绕组嵌定子铁心槽某时间仅绕组工作转子通常鼠笼型电机两种转速分决定两绕组极数起单速机种发动机重效率稍低总绕组未利导致损耗相增价格然通常单速电机贵
3 双速极幅调制感应发电机
种感应发电机定子绕组转子前两种运行速度绕组设计普通单速发动机相绕组匝数相两部分组成种转速联种转速串联磁场两种情况极数导致两种运行速度种电机定子绕组六接线端子通开关控制接法转速
双速单绕组极幅调制感应发电机双绕组双速发电机极相性重量轻体积造价较低效率单速发动机致相缺点电机旋转磁场理想正弦形产生电流中需谐波分量
2122 连续变速系统
连续变速系统通种方法包括机械方法电机械方法电气方法电子学方法等机械方法采变速液压传动变传动机械传动电机械方法采定子旋转感应发电机电气式变速系统采高滑差感应发电机双定子感应发电机等方法然连续变速运行存样样缺点问题实际应中难推广目前前景属电力电子学方法种变速发电系统两部分组成发电机电力电子变换装置发电机市场已通常电机步发电机鼠笼型感应发电机绕线型感应发电机等研制新型发电机磁场调制发电机刷双馈发电机等电力电子变换装置交流直流交流变换器交流交流变换器等面结合发电机电力电子变换装置介绍三种连续变速发电系统[9]
1 步发电机交流直流交流系统
中步发电机风轮变速旋转产生频率变化电功率电压通调节电机励磁电流进行控制发电机发出频率变化交流电首先通三相桥式整流器整流成直流电通线路换逆变器变换频率恒定交流电输入电网
2 磁场调制发电机系统
采发电机磁场调制型发电机磁场调制型变速恒频发电机系统台专门设计三相高频交流发电机套功率转换电路组成发电机身具较高旋转频频率 (般工频50Hz)低频交流电励磁三相电枢绕组输出电压频率两分量组成调幅波通联桥式整流器整流然通控硅开关电路波形半反滤波器滤波发电机转速关频率恒频正弦波输出实质利台三相高频交流发电机通磁场调制解调技术产生需低频单相输出
述出磁场调制发电机系统输出电压频率相位仅取决励磁电流频率相位发电机转速关特点非常适合网运行风力发电机励磁通励磁变压器取电网样风力发电机输出总动电网步存失步问题整系统控制相简单运行非常优点风力机风速范围佳效率运行提高风转化效率简化风力机调速机构需采取适限速措施限速运行区允许转速定范围波动降低风力机机械部分造价提高运行性外电路输出波形中谐波分量相正弦输出波形该系统中换操作简单容易换损耗系统效率较高
缺点想三相输出必须采三套磁场调制发电机系统套发电机系统间应保持某合适相位差提高整系统成磁场调制发电机系统高频发电机转速较高风轮转速较低系统需速较增速器提高系统成外电力电子变换装置处电路中容量提高成
3 双馈发电机系统
双馈发电机机构类似绕组型感应电机定子绕组直接接入电网转子绕组台频率电压调低频电源（般采交交循环变流器）供三相低频励磁电流转子绕组通三相低频电流时转子中形成低速旋转磁场磁场旋转速度n1转子机械转速n2相叠加等定子步转速n3发电机定子绕组中感应出相应步转速工频电压风速变化时转速n2变化n2变化时相应改变转子电流频率旋转磁场速度n1补偿电机转速变化保持输出频率恒定变
系统中采循环变流器种频率变换成种较低频率电力变换装置半导体开关器件采线路换获较输出电压电流波形输出频率般超输入频率三分变换装置处发电机转子回路（励磁回路）容量般超发电机额定功率30种系统中发电机超步运行（转子旋转磁场方机械旋转方相n1负）次步速运行（转子旋转磁场方机械旋转方相正）前种情况定子电网馈送电力外转子电网馈送部分电力种情况定子电网馈送电力时需转子馈入部分电力
述系统发电机传统绕线式感应电机类似般具电刷滑环需定维护检修目前正研究种新型刷双馈发电机采双级定子嵌套偶合笼型转子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定子6出线端中3直接三相电网相连余3通电力变换装置电网相联前3端子输出电力频率电网频率样三端子输出电力频率相转差频率必须通电力变换装置（交交循环变流器）变换成电网相频率电压联入电网种发电机系统具普通双馈发电机系统优点外优点电机结构简单没电刷滑环基需维护
22 变速恒频风力发电系统总体设计
221 变速恒频风力发电系统特点
变速恒频风力发电系统特点风力机发电机转速范围变化影响输出电频率通适控制风力机尖速处接佳值限度利风外恒速风机说风速跃升时巨风通风轮机传递轴齿轮发电机等部件部件产生机械应力果种程重复出现会引起部件疲劳损坏设计时应该加安全系数导致制造成增加风力发电机采取变速运行时风速跃升产生巨风部分加速旋转风轮吸收功形式储存高速运转风轮中避免轴传动机构承受扭矩应力风速降时电力电子装置调控高速风轮释放量转变电送入电网风轮加速减速风阶跃性变化起缓作风力机部量传输部件应力变化较稳防止破坏性机械应力产生风力发电机组运行更加稳安全
变速恒频风力发电系统具优点：
1) 限度捕捉风
2) 较宽转速运行范围适应风速变化引起风力机转速变化
采定控制策略（矢量PWM）灵活调节系统功功功率电网言种系统起功率数补偿作
3) 采先进PWM控制技术抑制谐波减开关损耗提高效率降成
222 变速恒频风力发电系统结构
变速恒频风力发系统变速恒频核心系统结构包括：风机齿轮箱异步发电机整流装置储装置控制系统六部分组成
异步发电机三相电枢绕组输出电压频率两分量组成调幅波通联桥式整流器整流然通控硅开关电路波形半反滤波器滤波发电机转速关频率恒频正弦波输出实质利台三相高频交流发电机通磁场调制解调技术产生需低频单相输出发电机系统输出电压频率相位仅取决励磁电流频率相位发电机转速关特点非常适合网运行风力发电机励磁通励磁变压器取电网样风力发电机输出总动电网步存失步问题整系统控制相简单运行非常优点风力机风速范围佳效率运行提高风转化效率简化风力机调速机构需采取适限速措施限速运行区允许转速定范围波动降低风力机机械部分造价提高运行性外电路输出波形中谐波分量相正弦输出波形该系统中换操作简单容易换损耗系统效率较高
系统图21示：
齿轮箱
风力
发电机
整流装置
控制系统
储装置
电 网
图21 变速恒频风力发电系统
2221 风轮机
风轮机整风力发电系统量转换首部件 截获流动空气具动 风轮机叶片迎风扫掠面积部分空气动转换机械 仅决定整风力发电系统装置效功率输出 直接影响机组安全稳定运行风轮机设计空气动力特性分析直风力发电系统研究开发重方
风轮机气动特性复杂 包括 力矩特性功率特性推力特性等阐明充分利风轮机获取风发电机风轮机达佳配合方法面风机功率特性做简分析说明
设A 风轮机叶片迎风扫掠面积空气进入风轮机扫掠面前风速(未扰动风速) Q空气密度 单位时间(垂直通截面A空气动 风轮机输入功率
(21)
定义风利系数
(22)
(23)
风利系数时表征风轮机效率重参数着风轮机转速值变化根贝茨理[ 3 ] 值01593般 水轴风轮机言 0 2～ 0 5 高速风轮(少叶片风轮属高速风轮) 低速风轮 时考虑风场中风轮机会受风速风波动影响 高速风轮实际致04 左右 难超05
某固定风速 着风轮机转速n 变化 CP 值会相应变化 风轮机输出机械功率Pm 变化 说 转速n 变化 会导致风轮机捕获风力
2212 齿轮箱
齿轮箱风轮机风力发电机间传动机构属机械部分作风机转动通齿轮箱传动发电机转动起齿轮箱根特殊情况采特殊装置例：孤岛型供电方式风力发电系统中风力涡轮机发电机间装设飞轮利飞轮高惯性风速快时进行储风速慢时释放储风力涡轮机输出机械功率稳定飞轮受场限制飞轮必须柴油机配套
2223 风力发电机
目前做风力发电风力发电机种类种样异步发电机步发电机永磁发电机等等
系统选双输出异步发电机性优越性：
异步发电机直风系统中常量转换器异步发电机入电网手续极简单转子带动接步转速注意转子转定子旋转磁场转致入电网通常步发电机入电网时必须整步入电网时会发生振荡失步变速运行风力发电机捕捉更风三方面说明：风速低发出电网频率电需速度时利时风第二通电压频率动态控制允许发电机工作效率点第三电压频率动态控制电机励磁踪风速变化降低机械传动量损耗该机组缺点风速时电输出少风力发电机组机电变换器线路中利极数额定功率值两台异步发电机方法达增加输出目该方案电网频率变情况风轮运行工况变换电机转速变化工况增加电输出实现机组衡起动电磁制动电网电压障时控制线路中伺服电动机备电源
利两台发电机疑会增加风力发电机组年发电量时会增加电气设备成增加折旧运行费采台双速变极发电机代两台额定功率值异步发电机
通进步研究发现双输出异步发电机产生功功率功率数效率较普通感应发电机高说普通感应发电机具优越性
1 双输出异步发电机工作原理
风转换系统中传统异步发电机电网输送电时作恒输出功率异步发电机超步转子速度运行特征速度高电机额定转速时损失风说该系统作恒频风转换系统运行异步发电机作种变速恒频装置运行转子回路整流器直流耦合变换器源逆变器相连转子回路转差频率交流电流半导体整流器整流直流逆变器直流变工频交流送交流电网中种量定子转子送交流电网中称双输出异步发电机时整流器逆变器两者组成转差频率转换工频交流变频装置控制逆变器逆变角改变逆变器电压该异步发电机作台双输出感应发电机超步速度运行实际异步电机串级调速风转换系统中实际应
种系统中异步发电机转子绕组侧接整流器控整流器转子绕组接交交变频器双馈调速系统较调节功中调节定子侧功功率逆变器功率数低整系统功率数较低SCR应衰退网侧谐波严重SCR交交变频电路逆变电路取代转子侧接交交变频器时检测控制转差频率电流存定困难采述串级系统解决问题
2 双输出异步发电机稳态特性
双输出异步发电机普通异步发电机进行较实验方法验证双输出异步发电机性实验时定子端电压减少165V（额定电压220V时）果施加额定电压异步发电机电流受限制获更实验数功功率相应转子电流转子速度变化转子速度增加时异步发电机发出功功率增加直达值止然降（电机失步）样应注意电机达失步前定子电流增加超额定值时会电机热然双输出异步发电机引起发热电流保持变超运行速度范围时额定发热范围稳定工作通改变变换器触发角实现
3 功功率功率数速度变化
普通异步发电机功功率双输出异步发电机高双输出感应发电机具较高功率数保持电机气隙磁通变情况通调节转子电压相位幅值补偿定子侧功功率换言建立气隙磁通激磁电流部分全部转子电压产生时定子侧功功率减少转子侧功功率增步电机激时情况类似增加转子侧激磁电流定子减少滞功功率提高电网侧功率数意味着连接电网时双输出感应发电机台较量转换器
4 效率速度变化
额定速度时双输出异步发电效率普通异步发电机效率高超步运行时发电机额定输出转矩变转速提高电机输出功率提高时铜耗铁耗基保持变电机效率提高
双输出异步发电机功功率功率数效率传统异步发电机高性具明显优势整系统结构简单价格低廉性高较宽速度范围工作外应指出转子回路中采直流耦合变换器转子定子中会引起谐波电流产生谐波转矩增加机械损耗双输出异步发电机特性带影响例直流回路中电抗器电感量足够时（Ld﹕等3Xpｗ0Ld﹕——折算转子整流回路均电抗器电感Xp——折算转子侧相漏抗ｗ0——定子侧电源频率）时逆变器脉动电势引起转子脉动电流忽略计 Ld满足述条件时会出现轻载时电流断续现象机械特性发生畸变外直流侧整流电压逆变电势瞬时值相等会引起逆变器提前短路形成环流通选择适参数（定子漏电感转子漏电感励磁电感定子电阻转子电阻）谐波分量降低脉动转矩铜耗均减少
2224 整流装置
1 整流电路选择策略[20]
1) 整流电路电力电子电路中出现早种交流电变直流电应十分广泛电路形式种样具特色种角度整流电路进行分类分类方法：组成器件分控半控全控三种电路结构分桥式电路零式电路交流输入相数分单相电路相电路变压器二次侧电流方分单双分单拍电路双拍电路
2) 种整流电路优缺点较
a) 单相半波控整流电路特点：简单输出脉动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变压器铁芯饱需增铁芯截面积增设备容量
b) 单相桥式全控整流电路单相全波二者区：单相全波控整流电路中变压器二次绕组带中心抽头结构较复杂绕组铁心铜铁等材料消耗单相全桥世界色金属资源限情况利
单相全波控整流电路中2晶闸单相全控桥式控整流电路少2相应晶闸门极驱动电路少2单相全波控整流电路中晶闸承受电压单相全控桥式整流电路2倍
单相全波控整流电路中导电回路含1晶闸单相桥少1少次压降
述较考虑单相全波电路适宜低输出电压场合应
c) 单相桥式半控整流电路特点：该电路实中需加设续流二极VDR避免发生失控现象电路简化
d) 电容滤波单相控整流电路特点：适交―直―交变频器间断电源开关电源等应场合中常功率单相交流输入场合
述种整流电路优缺点较根文研究风力发电机输出电求系统采电容滤波单相控整流电路
2 稳压电路选择策略
开关稳压电源发展迅速种类繁工作方式分控整流型斩波型隔离型三类
1) 谓控整流型开关稳压电源指采控硅整流元件作调整开关交流市电电网供电直接供电变压器变压供电工作半波截正弦曲线前部分部分占角度称截止角导通正弦曲线部分称导通角调导通角达调整输出电压稳定输出电压目方框图见图22
控电流
滤波
脉控制电路
图22 控整流型开关稳压电源
2) 谓斩波型开关稳压电源指直流供电输入直流电压加开关电路开关电路输出端单脉动直流滤波输入电压稳定直流输出电压输出电压取样较放控制脉信号控制调整开关导通时间截止时间相长短达稳压目方框图见图23种稳压电源开关元件常晶体三极担调压改变调整开关导通截止时间相长短实现
调整开关
滤波
脉控制电路
Ｕｉ
Ｕ０
图23 斩波型开关稳压器方框图
3) 谓隔离型开关电源指输出回路逆变电路间高频变压器磁场变化实现量传递没电流间直接流通惯称直流变换器直流变换器隔离型开关稳压器直流变换器中输入直流变成交变电压逆变器工作开关状态正弦波振荡状态少直流变换器没稳压功严格说直流变换器包括隔离开关型稳压器通俗采直流变换器词直流变换器指直流电压供电开关电路直流变成交流整流作相反通常称逆变器逆变器直流供电量转变成频率高交流量变压器隔离变压（升压降压）整流新直流输出电压输出取样放反馈逆变器控制工作达稳定输出电压目方框图见图24
逆变
变压
整流
滤波
反馈控制
Ｕｉｉｉｉｉｉｉｉｉ
Ｕo
图24 直流变换器方框图
根文研究采控整流型开关稳压电源电路
3 逆变电路选择策略
1) 直接逆变工频变压器升压交流220V
种方法电路结构简单控制较容易工频变压器增体积重量成外逆变时输入电压低造成电流功率选择较困难逆变电流较级工频变压器制作较困难
2) 高频链逆变技术逆变出交流220V电压
种方法高频变压器体积重量轻成低新兴技术逆变时精确确定电压零点电流零点控制电路较复杂难控制外目前采高频链逆变技术逆变器低功率范畴关资料表明目前功率仅300W
3) 高频升压接逆变器逆变出交流220V电压
种方法控制简单避免工频变压器升压电路供选择电路结构形式钟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选择输入输出隔离电路结构形式选择隔离电路结构形式身安全起见般选输入输出隔离电路结构
2225 储装置
般风力发电系统采电池储装置风力发电机储系统(图25)示图中发电机出口电压整流器出口电压 逆变器入口电压U负荷电压直流 直流转换器两直流电源间电压转换带电压隔离带电压隔离两种根风场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电池电压数输入测量值计算结果测量值控制器中进行较校正调节输出输出稳定研究表明系统参数中受风速变化影响次发电机电流整流器电流电池电流电池存发电机电压整流器电压短时间会风速变化剧烈波动电池容量限般容量孤岛型风力发电系统网型供电形式中基采
图25 采电池储风力发电系统
蓄电池优缺点较：
铅蓄电池：电压稳定供电原料丰富造价低廉电气性良
镍镉蓄电池：机械强度高耐充电放电量较等优点价格贵
锂离子电池：工作电压高量充电速度快等优点安全性循环寿命长价格贵
系统优化角度考虑采超导储单元更具优越性超导储单元柔性交流输电技术中种超导线圈强制换变换器控制器组成强制换变换器基晶闸半导体开关超导储（SMES）单元发出吸收功功功率具种功超导储单元作功功控制器控制幅值相位控电流源超导储单元储容量响应速度快电力系统中已少应解决次步振荡机系统稳定等问题应前景非常光明
然 SMES 价格较贵容量响应快90年代已应风力发电系统然迄止仅孤岛型风力发电系统着风力发电规模化产业化发展风力发电系统供电形式必然孤岛型网型发展网型供电形式中应超导储SMES 技术首先建立系统结构图图26 示 表示发电机出口母线电压采超导储(SMES) 控制单元方框图图27 示
图26 系统结构图
图27 SMES 系统方框图
（24）
（25）
（26）
（27）
(24)（25）（26）（27） 式（图27）知超导储(SMES) 控制单元异步发电机滑差变化Δs 发电机出口电压变化| Δ| 作输入信号 输出母线功功率功功率发生变化影响风力发电机发出吸收功功率功功率超导储作电流源输出电流 已变换超导储(SMES) 装置电流电压偏差强制换变换器时间常数 超导储线圈电感 分电压电流标幺值异步发电机滑差系数应电流例系数
系统采超导储单元提高整系统输出
2226 控制系统
风力机组够稳定运行必须进行效控制考虑风力发电机组特殊性重性序控制器应次满足求：
1) 风转换系统稳定
2) 运行程中种确定素阵风剪切风负载变化作具鲁棒性
3) 控制代价．输入信号幅值定限制调时问等
4) 限度风转换电额定风速发电机种风速时输出电功率达额定风速时保持输出电功率常量
5) 风力发电机输出电功率保持恒压恒频较高电品质质量
变速恒频风力发电控制系统中需种功率转换装置发电机发出电控制恒频组成环节作：
1) 发电机风力机输出机械转变电
2) 发电机侧变流器关断器件（GIRIGBTGTO等）构成ACD变流器采定控制方法发电机发出变频交流转换直流
3) 直流环节般直流环节电压控制恒定
4) 网侧变流器关断器件构成DCAC变流器采某种控制方法直流电转变三相正弦波交流电（50Hz690V三相交流电）效补偿电网功率数
5) 变压器通变压器开关设备保护设备电变高压交流电（11kV33kV等）
中2～4称变频器量流某控制方案中双述变频器交直交变频器采交交变频器外方案中发电机全部功率通变频器进行转换方案部分功率通变频器进行转换
223 变速恒频风力发电系统运行控制总体方案
变速恒频风力发电追踪风系统运行控制总体方案：额定风速风力机优化桨矩角定浆距运行发电机控制子系统控制转速调节风力机叶尖速实现佳功率曲线量捕获额定风速风力机变桨距运行风力机控制系统通调节节距角改变风系数控制风电机组转速功率防止风电机组超出转速极限功率极限运行造成事额定风速运行变速恒频发电运行工作方式济高效运行方式种情况变速恒频风力发电系统控制目标追踪捕获风必须研究风电系统风捕获运行控制机理控制方法
2231 风力机佳运行原理
台风轮半径风力机风速运行时产生机械功率： （28）
式中 ——空气密度
——风力机输出功率系数（般Cp13～25达1627059）
——风力机扫掠面积
——风速
(1)式出定风速 值越风转化机械效率越高风利系数 (叶尖速)关系叶尖速表示：
（29）
式中
——风力机机械转速(Rad／s)
——叶片半径(m)
——迎面风速()
知某特定值时应恒速恒频风力发电机变风速断变化恒速恒频风力发电机总工作低效状态果风速变化时候通适调节发电机转子转速某特定值变保持限度利风变速恒频技术优势
风力发电机组控制目标通常项控制方法种样目前亟解决两核心问题：风捕获提高风转换效率改善电质量问题实现风捕获风力机三种典型运行状态：
1) 低风速段实行变速运行保持恒定风利系数值根风速变化控制风力机转速叶尖速变直转速达极限
2) 转速达极限风速进步加时．恒定转速控制风力机运行直输出功率时风利系数 定值
3) 超额定风速时输出功率达极限恒功率输出调节风力机
2232 风力发电系统优控制原理
优控制现代控制理重组成部分优化理控制问题种体现线性优控制目前诸现代控制理中应成熟分支已广泛应电力系统交流传动电力电子等领域般线性优控制系统：
（210）
式中：阶矩阵阶矩阵
性指标：
（211）
中：终端时间终端状态
优控制问题表述：求允许控制：系统初始状态)出发时间间隔达目标集性指标线性优控制求解问题变分法极值原理果性指标采二次型性指标：
（212）
中：分状态量控制量权矩阵优控制系统设计转化黎卡提方程中解出阵优控制 问题
二次性指标选择权矩阵项较困难工作选择优控制针该确定性指标言恰选择权阵线性优控制设计中需注意问题优控制中性指标选取直接表明设计者控制目．选时间时间优选状态状态优选择控制量优选择谐波损耗谐波损耗优控制
风力发电系统应控制方法中传统PID 控制常见次优控制
2233 风捕获控制
1 控制发电机转距实现风捕获控制
实现风捕获控制(Maximum Power PointTracking简称MPPT)风力发电系统必须实行变速运行系统够风速获佳叶尖速变速方法分两类：动变速通改变风轮桨距角改变风电系统总输入气动转矩动变速根测量风速调节发电机部分相联逆变器导通角调节发电机电磁转矩相恒速风力发电机组变速风力机然增加风捕获功率通常需等容量功率变换器相匹配增加机组制造成目前国外研究双馈刷双馈发电机较理想选择．类电机仅功率变换器容量降低机组额定容量20％ ～50％ 固定功率速度运行点调节电机功率绕组控制绕组间功率流降低损耗基MPPT风速估计器效率点踪研究模型设计优控制器优化刷双馈变速风力发电系统输出功率
异步发电机磁场定控制实现电机功功功率解耦转矩功率数解耦电机功率数调优控制应定子磁场定高效全控型双馈风力发电机中电机定转子边套全控型功率变换器控制定转子电压频率发电机工作弱磁风状态考虑磁路饱问题出相应电流控制方法导出优铁损耗状态方程仿真表明方法低风速时风捕获效率提高6％具滑差功率回馈兆瓦级双馈感应风力发电系统转差率控制够获适合风力发电求运行速度范围转子回路中接两背背变频器目通化电气损耗获系统全局效率实现风捕获佳速度踪电机功率数±09间意调节
独立运行风力发电系统采类调阻抗滤波器方法线调节三相控硅触发角稳定母线电压保证风系统阵风负载变化时获风利
2 控制风力机桨距角实现风捕获控制
台变桨距偏航控负载型试验风机中应两优控制器：额定风速时起作调节风机获风额定风速时控制功率转矩恒定仿真结果表明：获较功率品质运行点进行线性化处理时略高次项导致分严格性指标求控制器间切换频繁桨叶应力较疲劳负载较严重类现象需引起足够重视
针非佳叶尖速时两种模态采控制策略设计出赖具体风电系统特性风捕获控制器种类型风系统实现阵风电力系统扰动情况输出功率电压快速稳踪采静态VAR补偿器调节异步发电机输出电压采变浆距机构调节机械输入功率方法：结合极值控制适应控制理采改进 Krsitc 方法进行风轮桨距角控制设计获输出功率踪获全局优化永磁电机风电系统桨距角叶尖速变量采适非线性寻优单纯形加速法定风速佳风轮转速_控制反馈电网电流控制直流侧电压调节电机转速实现风捕获整风速范围电机转速寻优控制外环具饱特性速度环控制桨距角具饱特性功率控制环控制逆变器额定功率保持额定功率PI调节器保持输出电压稳定输出电流试验结果证明控制策略行性
传统风力机组控制通常具环结构形式通动态补偿器反馈电压误差转速获电压调节通电功率误差PI反馈(桨距控制)转速反馈获功率凋节两类控制致相带宽获取希控制性时环环间相互作会产生困难解决问题采类积分型输出反馈调节器联动控制桨距角励磁电压次优调节风力机组输出功率端电压
2234 风力发电机组运行稳定性控制
1 偏航控制抑制塔身扭矩震颤
通偏航机构连续控制效降低结构性动态负载振荡基柔性结构风机模型分析研究偏航控制塔身弯曲尤侧弯曲影响类似装置弹簧阻尼器悬挂系统PD控制器偏航角偏航速度控制变量周期性时变 LQ 偏航控制器够获样侧阻尼效降低塔身扭矩控制代价仅相 PD 控制器10％ 控制方法塔头方运动模式
现代风机研究制造重目标降低单位发电成效功率控制仅增加风捕获降低结构性成稳定边界风机趋轻质化更加柔性化常见两种功率控制方法桨距调节发电机电磁制动转矩控制偏航控制中运 LQ 优控制理降低风转换系统中结构性动态负载抑制塔身侧弯桨叶震颤
2 桨矩控制抑制塔身扭矩传动链应力
减转子应力桨叶塔身颤震功率振荡改善阵风响应运 LQG 优控制理设计全状态周期性桨距控制器系统状态方程轴转子角周期性函数通模拟结构性负载应力确实减少改善静态输出功率功率品质类方法仿真均建立状态反馈基础实现观点实需输出反馈重新评价应优传统控制器风转换系统中重点阶传动链模式提供阻尼控制中桨距控制环发电机励磁电压控制环：传统控制器包括电功率 PI 环轴速度 P 环发电机传统 AVR端电压电功率偏差积分目标优 MIMO 控制方案保持重状态时状态反馈设计转化输出状态反馈仿真剧烈阵风电气障时响应类 MIMO 方案获更稳桨距调整程硬件兼容基础传统方案行控制系统设计研究性分析中三种风模型否考虑测量噪声明确方案引起结构负载问题没提
3 优控制定桨矩风力发电机组中应
设计变速风转换系统控制器时必须考虑湍流引起非线性动态系统振问题尤轻质柔性结构系统类系统然降低成时导致系统固频率数值较低会出现闭环运行频带中：应系统辨识法描述变速定桨距异步风系统模型较六种线性非线性控制方案 进行范围频域时域分析获较满意结果该模型设计评价风机速度调节类线性非线性控制方案 LQG 控制应变桨距恒速水轴风转换系统中调节桨距保证输出功率维持额定值附．该控制器仅额定风速起作开关暂态：通实际风机模型非线性模拟测试验证阵风情况控制系统性
风电系统求风捕获求稳力矩传递动态佳叶尖速踪必须根风速调节风机转速导致力矩传动链中产生力矩振荡：采类 LQG 方法二次型性指标函数优化风捕获传动链负载限制求线性控制方法：线性控制器采恒值参考速度非线性化空气动力特性引入力矩动态特性 LQG 非线性控制器风速变化时首先减发电机力矩转速快速响应风速变化直力矩达新衡点实现速度快速响应减力矩波动
风速风机性会风力发电机组输出电压频率产生波动减致消波动风电技术重研究课题应优控制方法超导储单元 (SMES)加入网型风力发电系统中首先建立SMES 模型加入SMES系统线性化仿真模型采遗传算法求解优反馈矩阵助 MATLAB 软件包设计控制器仿真结果表明改善风电系统输出电压频率稳定性
优控制技术先进控制技术中风力发电系统中应早相较成熟控制方法风力发电系统质非线性然风风速风机性间歇性湍流风机尾流效应确定素优控制实现必须精确数学模型控制器设计基础．风力发电系统未免求高优控制策略控制方法模糊逻辑控制鲁棒控制方法结合起束混合控制技术效解决风力发电系统类关键控制问题：提高风转换效率改善电品质减柔性风电系统传动链疲劳负载等风力发电系统控制出路
第3章 风力发电机设计
31 概述[11]
风力发电采发电机两种：步发电机异步发电机采三相异步发电机三相异步发电机孤立运行联网运行异步发电机入电网手续极简单发电机转子带动接步转速注意转子转必须定子旋转磁场转致入电网电网容量足够时电网电压频率均异步发电机转速关通常步发电机入电网必须整步入电网时会发生振荡失步问题异步发电机中均存外低耗高性需励磁装置电刷结构简单尺寸坚固耐基需维修已成风力发电系统理想设备次设计采异步发电机
32 风力发电机
321 风力发电机结构
风力发电机定子定子铁心定子绕组机座三部分组成
定子铁心磁路部分减少激磁电流旋转磁场铁心中产生涡流磁滞损耗铁心厚05mm硅钢片叠成容量较电动机硅钢片两面涂绝缘漆作片间绝缘型定子铁心硅钢片叠装压紧成整体固定机座中型型定子铁心扇形片拼成
定子铁心圆均匀许形状相槽嵌放定子绕组型感应电机通常采半闭口槽高强度漆包线绕成单层绕组线圈铁心间垫槽绝缘半闭口槽减少磁路磁阻激磁电流减少嵌线较方便中型感应电机通常采半开口槽型高压感应电机开口槽便嵌线较电磁性中型异步电机采双层短距绕组
转子转子铁心转子绕组转轴组成转子铁心次路部分般厚05mm硅钢片叠成铁心固定转轴转子支架整转子外表呈圆柱形转子绕组分笼形绕线形两种笼形绕组行闭合绕组插入转子槽中导条两端固定环形端环构成果掉铁心整绕组形圆笼称笼形绕组节约铜提高生产率型笼形电机般铸铝转子中型电机铸铝质量易保证固铜条插入转子槽两端焊端环结构笼型电机结构简单制造方便种济耐电机应极广泛绕组型转子槽嵌绝缘导线组成三相绕组绕组三出线端接设置转轴三集电环通电刷引出种转子特点转子绕组中接入外加电阻改善电动机起动调速性笼型转子相较绕线型转子结构稍复杂价格稍贵求起动电流起动转距需调速场合减少电流提高电机功率数异步电动机气隙选较中型电机般02～2mm
322 风力发电机原理
风力发电机利电磁感应原理通定子三相电流产生旋转磁场转子绕组中感应电流相互产生电磁转矩进行量转换正常情况异步电机转子转速总略低略高旋转磁场转速（步转速ns）感应电机称感应电机旋转磁场转速ns子转速n差称转差转差Δn步转速ns值转差率s表示：
S （31）
转差率表征异步电机运行状态基变量
异步电机负载发生变化时转子转速转差率变化转子导体中电动势电流电磁转矩发生相应变化适应负载需转差率正负异步电机电动机发电机电磁制动三种运行状态
转子转速低旋转磁场转速时（ns＞n＞0）转差率0＜s＜1设定子三相电流产生气隙旋转磁场时针转右手定确定转子导体切割气隙磁场感应电动势方转子绕组短路转子导体中便电流流转子感应电流气隙磁场相互作产生电磁力电磁转矩时电机电网输入功率通电磁感应转子输出机械功率电机处电动机状态
电机原动机驱动转子转速高旋转转速(n＞ns)转差率s＜0时转子导体中感应电动势电流功分量电动机状态时相反电磁转矩方旋转磁场转子转两者相反电磁转矩制动性质转矩转子持续高旋转磁场转速旋转原动机驱动转矩必须克服制动电磁转矩时转子原动机输入机械功率通电磁感应定子输出电功率电机处发电机状态
机械外转子逆着旋转磁场方旋转(n＜0)转差率s＞1时转子导体切割气隙磁场相速度方电动机状态时相帮转子导体中感应电动势电流功分量电动机状态时方电磁转矩方相转子转变转子言电磁转矩表现制动转矩时电机处电磁制动状态方面外界输入机警功率时电网吸取电功率两者变成电机部损耗
33 三相异步发电机电磁设计
331 三相异步发电机电磁设计特点
异步发电机发电机相具突出点：直流发电机步发电机样需直流电源励磁结构简单体积刷（指鼠笼式）样运行电网联程非常简单易控制转子驱动量接步转速入电网吸收滞功电电流激磁网异步发电机说电网吸收功电流电网功率数变坏异步发电机激磁电流较般中型异步电机＝（20～30）％型步发电机激磁容量常额定容量1激异步发电机说需激磁电流联电容提供传统方法联价格较高较笨重电力电容器激异步发电机运行端电压频率负载变维持电压频率恒定源原动机转速调节外须根负载性质时调节联电容器样电压质量高满足需解决问题仅控制方面改进首先电机设计开始分析[1]
332 三相异步发电机三相异步电动机差异[2]
理说异步发电机异步电动机异步电机两种运行状态前者机械转换电者电转换机械设计家两者区电机步电机直流电机两种状态较广泛应已专门分析方法异步发电机应远异步电动机普遍长期注重异步电动机设计制造异步发电机电磁设计制造搬异步电动机相容量异步电动机作异步电机通分析知种简单搬恰
图31异步电机量图图31知台异步电机作发电电动运行时定子电流相位量差第：作异步电动机运行时作发电机运行时相样发电状态时满载系数（）作电动状态时时发电机额定电压电动机额定电压高更加重发电状态满载电势台异步电动机作发电机运行时满载电势增加电机饱度提高电机需激磁电流激增网运行时电网吸收量滞功电流电网功率数降低激运行时必须量电容器满足需功电流两种情况异步发电机运行成增加二铁耗增加发电机发热绝缘老化降低发电机寿命异步发电机满载电势系数取值般异步电动机085～095取值第二：异步电机电动机运行时夹角作发电机运行时异步电动机设计中许公式基作出相位电动机状况发电机设计中应重新计算免引起较误差
图31 异步电机量图
333 三相异步发电机电磁设计方案
根设计求额定数参考异步电动机电磁计算程序确定电机电磁负荷计算定子转子片铁心部分尺寸绕组数进核算电机项参数性设计数做必调整直达求异步电动机异步发电机差异直接引必须重新分析计算述容均基海电器科学研制出版中型三相异步电动机电磁计算程序
1) 满载电势系数1ee取值范围异步电动机般085~095间异步发电机般095~1间
2) 异步电动机中1ee1(× +)异步发电机中间夹角90°某项目符号必须改变
3) 异步电动机中km××()2× [1+(km××)2]异步发电机时误差较应导出新计算公式
4) 电动机计算铁耗时应空载时电势1e0发电机满载时铁耗应应满载电势1ee
5) （1ee）更接发电机实际情况
外设计程中注意适提高发电机载力功率数保护线路采取措施
334 三相异步发电机电磁计算程序
3341 额定数尺寸
1 额定功率 ＝600 KW
2 额定电压 690 V 3984 V
3 功电流 50204 A
4 效率
5 功率数
6 极数 ＝2
7 定转子槽数 ＝48 ＝40 (取 ＝4 )
8 定转子极槽数：
定子 ＝＝12
转子 ＝＝10
9 定子外径
验公式2极型电机满载电势标值
＝0975
计算功率
＝664773 VA
初选 ＝072 ＝112 ＝098＝46000 Am
072 T假定1450 rmin：
＝010685
取＝074
＝0569 m
1015 m
根标准尺寸确定
＝102 m
10 定子径 ＝057 m
铁心效长度
＝0329 m
取铁心长 ＝0325 m
11 气隙 验公式 ＝102 m
12 转子外径 ＝0568 m
13 转子径 ＝008 m
14 铁心长 ＝ 0325 m
铁心效长度（径通风道） ＝＋20325+21020327m
15 定转子片尺寸（见图附1）
16 极距 04477 m
17 定转子齿距：
定子 ＝ 00373 m
转子 ＝00448 m
18 定子绕组采单层绕组
19 转子斜槽宽 （取定子齿距） ＝00375 m
20 相导体数 48
单层线圈＝线圈匝数3
21 相串联导体数 ＝48
相串联匝数 ＝24
22 绕组线规设计 ＝9836
＝5705 A
23 槽满率 ：
初步取＝15 T
估计定子齿宽
＝＝001885 m
初步取 ＝15 T
0977m
00196 m
（取 ）
（）
（1）槽面积 ＝000217
（）
（2）槽绝缘占面积： 单层 ＝000059
（3）槽效面积 ＝000158
（4）槽满率 ＝ 078 (符合求)
24 绕组系数
（1）分布系数 ＝
（2）短距系数 ＝1
＝109254＝09254
25 相效串联导体数 ＝4809254＝ 44
3342 磁路计算
26 初设 ＝0975：
E1KE′UNΦ0975×69067275V
27 计算极磁通 初设饱系数 查
＝＝00868 Wb
中 ＝＝40862 V
28 极齿部接截面积：
定子 ＝＝006984
转子 ＝＝007487
29 定子轭部计算高度
＝
＝01369 m
转子轭部计算高度
＝
＝00962 m
轭部导磁面积
＝095032501369＝00423
＝095032500962＝00297
30 空气隙面积 ＝＝014729
31 波幅系数 ＝＝139
气隙磁密 ＝08192 T
32 定子齿磁密 ＝＝17276 T
33 转子齿磁密 ＝16115 T
34 定子轭磁密 ＝ 10260 T
35 转子轭磁密 ＝14613 T
36 空气隙磁密 ＝08192 T
37 根D23曲线 数查出磁场强度
(单位 ：)
38 轭部磁路计算长度
定子 ＝＝01104 m
转子 ＝＝02608 m
39 效气隙长度 ＝
＝118 m
半闭口槽半开口槽 ＝1164
40 齿部磁路计算长度
＝00827 m
＝01447 m
齿部磁压降 定子 ＝69799 A
转子 ＝59038 A
41 轭部磁压降计算 0311810260 T查
＝0846
＝＝02148＝14613 T查
0212
定子 ＝3811 A
转子 ＝9178 A
42 空气隙磁压降 ＝
778095
43 饱系数 ＝117
假设系数较 误差 ＝＝085％ < 10％合格
（值31项中假定值相符否重新假定计算31～43项中关量求精确误差部）
44 总磁压降
＝778095 + 69799 + 59038 + 3811 + 9178
919921
45 满载磁化电流 ＝ 61363 A
46 满载磁化电流表值 ＝ 1222
47 励磁电抗表值 ＝0818
3343 参数计算
48 线圈均半匝长（见图附2）
定子线圈节距
＝0949
m
均半匝长（单层线圈）＝＝1474 m
式中 验系数2极取116
49 漏抗系数
008067
50 定子槽漏磁导
1017＋0866＝1883
51 定子槽漏抗 ＝0846
径通风时 ＝0325 m
52 定子谐波漏抗
＝1124
53 定子端部漏抗
单层交叉式 ＝0764
54 定子漏抗
＝（0846＋1124＋0864）
＝2834008067＝02286
55 转子槽漏磁导 ＝（手册查出）
＝ 2826
56 转子槽漏抗 ＝1644
径通风道时 ＝0325
57 转子谐波漏抗 ＝（）
＝0316
58 转子端部漏抗
03290612
59 转子斜槽漏抗 ＝0413
60 转子漏抗
＝(0644+0316+0872+06243)3456
02788
61 总漏抗 ＝02286+0278805074
62 定子直流电阻 ＝1913
式中：级绝缘——铝
铜
63 定子相电阻表值 ＝2411
64 效材料
定子导线重量 ＝ 20439 Kg
式中 C考虑导线绝缘引线重量系数漆包圆铝线取11导线密度铝
65 转子电阻
导条电阻折算值 ＝1124
式中 叠部整齐造成导条电阻增加系数铸铝转子104
电阻率——级绝缘铸铝
端环电阻折算值 ＝0862
导条电阻表值 ＝1416
端环电阻表值 ＝1086
转子电阻表值 ＝1086＋1416＝2502
3344 工作性计算
66 满载时定子电流功分量标值 ＝10417
67 满载时转子电流功分量标
＝06247
＝16203
68 满载时定子电流功分量标值 ＝1222+06247
18494
69 满载电势标值 ＝0975
值28项中假设值相符
70 空载电势标值 ＝＝0924
71 空载时定子齿磁密 ＝1524 T ＝2254 Acm
72 空载时转子齿磁密 ＝1384 T ＝1186 Acm
73 空载时定子轭磁密 ＝1337 T＝100 Acm
74 空载时转子轭磁密 ＝1296 T＝897 Acm
75 空载时气隙磁密 ＝07218 T
76 空载定子齿磁压降 ＝42842 A
77 空载转子齿磁压降 ＝41436 A
78 空载定子轭磁压降 ＝48694 A
79 空载转子轭磁压降 ＝21468 A
80 空载气隙磁压降 ＝401432 A
81 空载总磁压降 ＝555862 A
82 空载磁化电流 ＝4659
83 定子电流标值 ＝1177
定子电流实际值 ＝61357 A
84 定子电流密度 ＝3098
85 线负荷 ＝44251 Am
86 转子电流标值 ＝11375 A
转子电流实际值 ＝61864 A
端环电流实际值 ＝149621 A
87 转子电流密度 导条电密 ＝3255
端环电密 ＝2403
88 定子电气损耗 ＝0043
＝68436 W
89 转子电气损耗 ＝0034
＝56465 W
90 附加损耗
铜条转子
＝42587 W
91 机械损耗 参考实际试验值
92 定子铁耗
（1）定子齿重量 ＝4245 Kg
（2）定子轭重量 ＝6847 Kg
（3）损耗系数 （查）
（4）定子齿损耗 ＝14236 W
（5）定子轭损耗 ＝48635 W
（6）定子铁耗 ＝56413 W
铁耗校正系数 25（半闭口槽）30（开口槽）
2 （半闭口槽）25（开口槽）
铁耗标值 ＝0021
93 总损耗表值 ＝01143
94 输入功率 ＝28423
95 效率 ＝09594
96 功率数 ＝08803
97 转差率 ＝ 285
＝00122
98 转速 ＝1490 rmin
99 转矩 ＝245
结束语
通学期毕业设计学东西前理知识次型毕业设计第次学会单独完成设计务查找资料懂科学门实实学问半点虚假求步脚印做步工作
次毕业设计课题风力发电机设计风力发电系统研究单课题涉知识面非常广中许前接触东西刚开始课题时候知手脑子片空白然两周量阅读参考资料复专业书次请教老师学逐渐课题容较深认识基掌握风力发电机工作原理设计思路设计时应注意种问题解决问题方法作量准备工作设计出套计算程序初步确定电磁设计方案三星期努力完成电磁计算计算出项指标均符合求
久设计然累压力工作结果感欣慰相信付出会回报久设计提高独立思考独立解决问题力懂做学问定沉心认真做学力提高工作奠定基础
参考文献
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[20] 陈星莺刘孟觉单渊达超导储单元网型风力发电系统应[J]中国电机工程学报200121(12)：63～66
致 谢
毕业设计全部工作XXX老师悉心指导完成文字里行间凝聚着邓老师汗水心血衷感谢XXX老师整设计程中指导学帮助帮助利完成整设计时感谢图书馆工作员热情服务查找资料提供方便感谢学校领导监督支持家力支持鼓励
XXX
XXXX年XX月XX日
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毕 业 文
题 目： 风力发电机设计风力发电系统研究
系： 电气信息工程系
专业： 电气工程动化 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： 风力发电机设计风力发电系统研究
系： 电气信息工程系
专业： 电气工程动化 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
声明：
1呈交毕业设计（文）老师指导进行研究工作取研究成果
2查证文中特加标注致谢方外毕业设计（文）中包含已公开发表研究成果包含获教育机构学位材料
3承诺提交毕业设计（文）中容均真实信
作者签名： 日期： 年 月 日
毕业设计（文）务书
题目： 风力发电机设计风力发电系统研究
姓名 系 电气信息工程系 专业 电气工程动化 班级 学号
指导老师 职称 教研室
基务求：
1）基数：额定功率 KW 连接方式 Y
额定电压 额定转速
相数 m3 功率数
效率 绝缘等级 F
极数 P2
2毕业设计课题完成设计容：
（1） 风力发电机电磁设计方案
（2） 风力发电系统研究
（3） 电机零部件图绘制
（4） 说明书
进度安排完成时间：
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：毕业实撰写实报告
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（文）
6月15日——6月17日：修改装订毕业设计说明书（文）电子文档传FTP
6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 绪 1
11 开发利风动 1
111 济驱动力 1
112 环境驱动力 2
113 社会驱动力 2
114 技术驱动力 2
12 风力发电现状 2
121 世界风力发电现状 2
122 中国风力发电现状[13] 3
13 风力发电展 3
第2章 风力发电系统研究 5
21 风力发电系统 5
211 恒速恒频发电系统 5
212 变速恒频发电机系统 6
22 变速恒频风力发电系统总体设计 9
221 变速恒频风力发电系统特点 9
222 变速恒频风力发电系统结构 9
223 变速恒频风力发电系统运行控制总体方案 19
第3章 风力发电机设计 25
31 概述[11] 25
32 风力发电机 25
321 风力发电机结构 25
322 风力发电机原理 26
33 三相异步发电机电磁设计 27
331 三相异步发电机电磁设计特点 27
332 三相异步发电机三相异步电动机差异[2] 27
333 三相异步发电机电磁设计方案 28
334 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 定子片图
附录 B 转子片图
附录 C 总装图
风力发电机设计风力发电系统研究
摘 ：文国外风力发电发展现状进行概述指出风力发电机发展趋势研究方阐述三相异步电机结构原理重点讲述三相异步发电机电磁设计方法列出具体电磁设计程课题研究异步发电机目前理想风力发电机前景非常乐观重点介绍目前风电场中采风力发电机组 包括风力机风力机功率调节恒速恒频变速恒频发电系统介绍风力发电机组三种典型控制策略理技术路线设计变速恒频风力发电系统设计方案程序简单结构清楚数精确设计程追求提高效率兼顾简化工艺降低成等特点
关键词： 新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 presentThe 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 highefficiencily look after both sides to simplify the craft decline low cost etc
Key words New energy resourceWind turbine generatorVariety invariable frequency
第1章 绪
11 开发利风动
风作种新源开发利定动着时间推移开发利风动变化面济环境社会技术进步四方面介绍风开发利动
111 济驱动力
1111 济优化
源供应济优化提供重视开发利基原理偏远区电力供应困难常规电网延伸柴汽油机发电相利型离网风力发电系统供电成优势例蒙古农牧区利型离网风力发电系统供电农牧户承担成约2元KW左右果电网延伸方法农牧户承担成高8元KW区利汽油柴油发电机供电考虑油料运输成农牧户承担成高6元KW
1112 化石源资源枯竭供应安全[5]
进入工业社会类飞速发展文明程中次源危机开始认识限制开采煤炭石油天然气等化石源终资源枯竭天目前石油储量约1300亿吨年消耗量约35亿吨计25年中均年消耗量达50亿吨加新发现油田专家估计总储量会超2000亿吨石油资源四五十年枯竭类社会持续发展务急寻找研究利生资源风作新源中具工业开发潜力生源格外引起瞩目
国家进口化石源满足国源消费风开发利减少国外源赖加强国源供应安全水国化石源价格变化较社会济稳定性增强
1113 促进源产业升级
风力发电技术属新兴技术风电产业阳产业风力发电技术研发示范商业化发展终进入市场整源产业带新活力成国民济种新济增长点国家果开发利风技术早占风利技术市场优势
112 环境驱动力
早先认识烟尘二氧化硫等区域性污染外世界越越开始认识二氧化碳等温室气体量排放全球气候变暖类社会带害影响冰山消融海面升高气环流海洋异常导致然灾害频发土沙漠化球村效应更加明显国认识必须采取措施减缓影响种变化减缓球变暖1997年日京召开联合国气候变化框架缔约方第3次会84国代表审议通京议定书求工业发达国家幅度削减二氧化碳等温室气体排放量迫重视寻找生代源风源转化工程中会产生排放量产生烟尘二氧化硫等区域性污染外会带全球环境污染
113 社会驱动力
风份额增加时会创造直接间接业机会工厂生产装机工程中创造业外设备维护方面会提供业机会
外国家（欧盟国家）中风开发利已成热点问题公众支持许民众十分关注风发展利风生源成生活方式绿色电力发展典型例子愿高化石电力价格购买风电生源电力
114 技术驱动力
着科技进步空气动力理断发展新型高强度轻质材料出现计算机设计技术广泛应动控制技术断改进机械电气电子元件制造技术成熟风电技术功率高效率高性高度动化方发展提供条件
12 风力发电现状
121 世界风力发电现状
20世纪80年代工业发达国家风力发电机组研制取巨进展1987年美国研制出单机容量32MW水轴风力发电机组安装夏威夷群岛瓦胡岛1987年加研制出单机容量40MW立轴达里厄风力发电机组安装魁北克省凯普柴特进入20世纪80年代单机容量100KW水轴风力发电机组研究开发生产欧洲丹麦德国荷兰西班牙等国取快速发展20世纪90年代单机容量100～200KW机组已中型型风电场中成导机型时单机容量1MW风力发电机组研制开发成功风电场中成功运行
世界风电总装机容量1997年底746万KW1998年底1015万KW1999年底1393万KW2000年达1845万KW2001年达2493万KW2002年达3112KW均年增长率30欧洲风协会预计全世界2020年风力发电装机容量超1亿KW占欧洲总发电量20世界源委员会预计全世界2020年风力发电装机容量达18亿～47亿KW
122 中国风力发电现状[13]
中国风力发电起步较晚发展较快目前风力发发电机组研制开发重点分两方面1KW独力运行型风力发电机组二100KW网运行型风力发电机组
20世纪80年代中期中国开始规划风力发电场建设1983年山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组开始网风力发电技术试验示范1986年新疆达坂城安装１台100KW风力发电机组1989年安装13台150KW风力发电机组年蒙古朱日安装5台美国100KW机组开始中国风电场运行试验示范特年中国风力风电场建设取较济效益巨发展统计2001年底中国建27座风电场装机812台总容量3998985万KW目前正处前期工作阶段正建设风电场遍10省市治区
13 风力发电展
风力发电技术目前断发展体现单机容量断增目前流发电机组功率升600～750KWMW级机组成批生产24MW级机组已实验生产必然采新复合材料新技术例单机容量断增桨叶长度断增长容量2MW风力机叶轮扫风直径达72m目前长叶片做50m桨叶材料玻璃纤维增强树脂发展强度高重量轻碳纤维桨叶柔性方发展早期风力机桨叶根直升飞机机翼设计风力机桨叶运行直升飞机空气动力环境中叶型进步改进增强风力机捕捉风效率例美国国家生源实验室研制开发种新型叶片早期风力机桨叶捕捉风力20目前丹麦 美国德国等风电科技较发达国家许专业研究员利较先进设备技术条件致力新叶型理应研究开发
中型风电机组设计中采更高塔架捕捉更风处坦带风力机50m高处捕捉风30m高处20
尤值注意着电力电子技术发展年发展种变速风力发电机组取消沉重增速齿轮箱发电机轴直接连接风力发电机组轴转子转速风阻改变交流电频率变化置面功率电力电子变换器频率定交流电整流成直流电逆变成电网频率交流电输出设计成风况获较空气动力效率提高捕捉风效率试验表明均风速67ms时变速风力发电机组恒速风力发电机组捕获15风时机舱重量减轻改善传动系统部件受力状况风力发电机组支撑结构减轻塔架等基础费降低运行维护费较低种发展前途技术[14]
风力发电场未发展趋集中：提高机群安装场选择准确性进机群布局合理性提高运行性稳定性实现运行佳控制进步降低设备投资发电成总装机容量1MW风力发电场占导位风力发电场风力发电机组单机容量百千瓦兆瓦级
外发展海风电场成新型风力发电机组应领域受重视丹麦德国西班牙瑞典等国规划较海风电场项目海风速较陆稳定般陆风电场均设备利2000h2600h海达3000h便浮吊施工海风电场般建水深3～8m处容量装机陆成增加60（海基础占23线路占20陆仅占5）左右发电量增加50
第2章 风力发电系统研究
21 风力发电系统
风力发电系统风力发电重部分仅直接影响转换程性效率供电质量影响前转换程运行方式效率装置结构研制选适合风电转换运行效率高控制供电性发电机系统风力发电工作重组成部分考虑发电机系统方案时应结合运行方式重点解决问题：
1) 高质量断变化风转换频率电压恒定交流电电压恒定直流电
2) 高效率实现量转换降低度电成
3) 稳定电网柴油发电机发电装置储系统联合运行户提供稳定电
目前广泛应恒速恒频发电系统变速恒频发电机系统面分作概介绍
211 恒速恒频发电系统
恒速恒频发电系统般说较简单采发动机两种步发电机鼠笼型感应发电机步发电机鼠笼型感应发电机前者运行电机极数频率决定步转速者稍高步速转速运行
风力发电中步发电机绝部分三相步电机输出联接邻三相电网输配电线输出联接邻三相电网输配电线三相电机起相额定功率单相电机般体积较效率较高便宜功率仅单相电网少数情况考虑采单相发电机
步发电机优点电网负载提供功功率台额定容量125KVA功率数08步发电机提供100KW额定功功率时电网提供+75KW75KW间功功率值仅网运行单独运行满足种负载需
步发电机缺点结构控制系统较复杂成相感应发电机较高
感应发电机称异步发电机鼠笼型绕线型两种恒速恒频系统中般采鼠笼型异步发电机定子铁心定子绕组结构步发电机相转子采笼型结构转子铁心硅钢片叠成呈圆筒形槽中嵌入金属（铝铜）导条铁心两端铝铜端环导条短接转子需外加励磁没滑环电刷结构简单坚固基需维护[6]
感应发电机两种运行方式网运行单独运行网运行时感应发电机方面电网输出功功率方面必须电网吸收落功功率单独运行时感应发电机电压建立需励程励条件电机身存定剩磁发电机定子输出端负载联组适容量电容器发电机磁化曲线电容特性曲线交正常运行点产生需额定电压
212 变速恒频发电机系统
20世纪70年代中期逐渐发展起种新型风力发电系统优点风轮变速运行宽风速范围保持恒定佳叶尖速提高风力机运行效率风中获取量恒速风力机高外种风力机结构实中优越性利电力电子学实现变速运行佳方法然恒速恒频系统相风电转换装置电气部分变较复杂昂贵电气部分成中型风力发电机组占例发展中型变速恒频风电机组受国家重视
变速运行风力发电机连续变速连续变速两类面分作概介绍
2121 连续变速系统
般说利连续变速发电机获连续变速运行某处全部处效果单转速风电机组较高年发电量定风速范围运行佳叶尖速附风速快速变化实际台单速风力机期连续变速系统样效获取变化风更重利转子惯性吸收峰值转矩种方法改善风力机疲劳寿命面介绍连续变速运行方式常种方法
1 采台转速发动机
通常采两台转速功率感应发电机某时间台联电网传动机构设计发动机两章风轮转速运行稍贵头部转速
2 双绕组双速感应发电机
种电机两定子绕组嵌定子铁心槽某时间仅绕组工作转子通常鼠笼型电机两种转速分决定两绕组极数起单速机种发动机重效率稍低总绕组未利导致损耗相增价格然通常单速电机贵
3 双速极幅调制感应发电机
种感应发电机定子绕组转子前两种运行速度绕组设计普通单速发动机相绕组匝数相两部分组成种转速联种转速串联磁场两种情况极数导致两种运行速度种电机定子绕组六接线端子通开关控制接法转速
双速单绕组极幅调制感应发电机双绕组双速发电机极相性重量轻体积造价较低效率单速发动机致相缺点电机旋转磁场理想正弦形产生电流中需谐波分量
2122 连续变速系统
连续变速系统通种方法包括机械方法电机械方法电气方法电子学方法等机械方法采变速液压传动变传动机械传动电机械方法采定子旋转感应发电机电气式变速系统采高滑差感应发电机双定子感应发电机等方法然连续变速运行存样样缺点问题实际应中难推广目前前景属电力电子学方法种变速发电系统两部分组成发电机电力电子变换装置发电机市场已通常电机步发电机鼠笼型感应发电机绕线型感应发电机等研制新型发电机磁场调制发电机刷双馈发电机等电力电子变换装置交流直流交流变换器交流交流变换器等面结合发电机电力电子变换装置介绍三种连续变速发电系统[9]
1 步发电机交流直流交流系统
中步发电机风轮变速旋转产生频率变化电功率电压通调节电机励磁电流进行控制发电机发出频率变化交流电首先通三相桥式整流器整流成直流电通线路换逆变器变换频率恒定交流电输入电网
2 磁场调制发电机系统
采发电机磁场调制型发电机磁场调制型变速恒频发电机系统台专门设计三相高频交流发电机套功率转换电路组成发电机身具较高旋转频频率 (般工频50Hz)低频交流电励磁三相电枢绕组输出电压频率两分量组成调幅波通联桥式整流器整流然通控硅开关电路波形半反滤波器滤波发电机转速关频率恒频正弦波输出实质利台三相高频交流发电机通磁场调制解调技术产生需低频单相输出
述出磁场调制发电机系统输出电压频率相位仅取决励磁电流频率相位发电机转速关特点非常适合网运行风力发电机励磁通励磁变压器取电网样风力发电机输出总动电网步存失步问题整系统控制相简单运行非常优点风力机风速范围佳效率运行提高风转化效率简化风力机调速机构需采取适限速措施限速运行区允许转速定范围波动降低风力机机械部分造价提高运行性外电路输出波形中谐波分量相正弦输出波形该系统中换操作简单容易换损耗系统效率较高
缺点想三相输出必须采三套磁场调制发电机系统套发电机系统间应保持某合适相位差提高整系统成磁场调制发电机系统高频发电机转速较高风轮转速较低系统需速较增速器提高系统成外电力电子变换装置处电路中容量提高成
3 双馈发电机系统
双馈发电机机构类似绕组型感应电机定子绕组直接接入电网转子绕组台频率电压调低频电源（般采交交循环变流器）供三相低频励磁电流转子绕组通三相低频电流时转子中形成低速旋转磁场磁场旋转速度n1转子机械转速n2相叠加等定子步转速n3发电机定子绕组中感应出相应步转速工频电压风速变化时转速n2变化n2变化时相应改变转子电流频率旋转磁场速度n1补偿电机转速变化保持输出频率恒定变
系统中采循环变流器种频率变换成种较低频率电力变换装置半导体开关器件采线路换获较输出电压电流波形输出频率般超输入频率三分变换装置处发电机转子回路（励磁回路）容量般超发电机额定功率30种系统中发电机超步运行（转子旋转磁场方机械旋转方相n1负）次步速运行（转子旋转磁场方机械旋转方相正）前种情况定子电网馈送电力外转子电网馈送部分电力种情况定子电网馈送电力时需转子馈入部分电力
述系统发电机传统绕线式感应电机类似般具电刷滑环需定维护检修目前正研究种新型刷双馈发电机采双级定子嵌套偶合笼型转子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定子6出线端中3直接三相电网相连余3通电力变换装置电网相联前3端子输出电力频率电网频率样三端子输出电力频率相转差频率必须通电力变换装置（交交循环变流器）变换成电网相频率电压联入电网种发电机系统具普通双馈发电机系统优点外优点电机结构简单没电刷滑环基需维护
22 变速恒频风力发电系统总体设计
221 变速恒频风力发电系统特点
变速恒频风力发电系统特点风力机发电机转速范围变化影响输出电频率通适控制风力机尖速处接佳值限度利风外恒速风机说风速跃升时巨风通风轮机传递轴齿轮发电机等部件部件产生机械应力果种程重复出现会引起部件疲劳损坏设计时应该加安全系数导致制造成增加风力发电机采取变速运行时风速跃升产生巨风部分加速旋转风轮吸收功形式储存高速运转风轮中避免轴传动机构承受扭矩应力风速降时电力电子装置调控高速风轮释放量转变电送入电网风轮加速减速风阶跃性变化起缓作风力机部量传输部件应力变化较稳防止破坏性机械应力产生风力发电机组运行更加稳安全
变速恒频风力发电系统具优点：
1) 限度捕捉风
2) 较宽转速运行范围适应风速变化引起风力机转速变化
采定控制策略（矢量PWM）灵活调节系统功功功率电网言种系统起功率数补偿作
3) 采先进PWM控制技术抑制谐波减开关损耗提高效率降成
222 变速恒频风力发电系统结构
变速恒频风力发系统变速恒频核心系统结构包括：风机齿轮箱异步发电机整流装置储装置控制系统六部分组成
异步发电机三相电枢绕组输出电压频率两分量组成调幅波通联桥式整流器整流然通控硅开关电路波形半反滤波器滤波发电机转速关频率恒频正弦波输出实质利台三相高频交流发电机通磁场调制解调技术产生需低频单相输出发电机系统输出电压频率相位仅取决励磁电流频率相位发电机转速关特点非常适合网运行风力发电机励磁通励磁变压器取电网样风力发电机输出总动电网步存失步问题整系统控制相简单运行非常优点风力机风速范围佳效率运行提高风转化效率简化风力机调速机构需采取适限速措施限速运行区允许转速定范围波动降低风力机机械部分造价提高运行性外电路输出波形中谐波分量相正弦输出波形该系统中换操作简单容易换损耗系统效率较高
系统图21示：
齿轮箱
风力
发电机
整流装置
控制系统
储装置
电 网
图21 变速恒频风力发电系统
2221 风轮机
风轮机整风力发电系统量转换首部件 截获流动空气具动 风轮机叶片迎风扫掠面积部分空气动转换机械 仅决定整风力发电系统装置效功率输出 直接影响机组安全稳定运行风轮机设计空气动力特性分析直风力发电系统研究开发重方
风轮机气动特性复杂 包括 力矩特性功率特性推力特性等阐明充分利风轮机获取风发电机风轮机达佳配合方法面风机功率特性做简分析说明
设A 风轮机叶片迎风扫掠面积空气进入风轮机扫掠面前风速(未扰动风速) Q空气密度 单位时间(垂直通截面A空气动 风轮机输入功率
(21)
定义风利系数
(22)
(23)
风利系数时表征风轮机效率重参数着风轮机转速值变化根贝茨理[ 3 ] 值01593般 水轴风轮机言 0 2～ 0 5 高速风轮(少叶片风轮属高速风轮) 低速风轮 时考虑风场中风轮机会受风速风波动影响 高速风轮实际致04 左右 难超05
某固定风速 着风轮机转速n 变化 CP 值会相应变化 风轮机输出机械功率Pm 变化 说 转速n 变化 会导致风轮机捕获风力
2212 齿轮箱
齿轮箱风轮机风力发电机间传动机构属机械部分作风机转动通齿轮箱传动发电机转动起齿轮箱根特殊情况采特殊装置例：孤岛型供电方式风力发电系统中风力涡轮机发电机间装设飞轮利飞轮高惯性风速快时进行储风速慢时释放储风力涡轮机输出机械功率稳定飞轮受场限制飞轮必须柴油机配套
2223 风力发电机
目前做风力发电风力发电机种类种样异步发电机步发电机永磁发电机等等
系统选双输出异步发电机性优越性：
异步发电机直风系统中常量转换器异步发电机入电网手续极简单转子带动接步转速注意转子转定子旋转磁场转致入电网通常步发电机入电网时必须整步入电网时会发生振荡失步变速运行风力发电机捕捉更风三方面说明：风速低发出电网频率电需速度时利时风第二通电压频率动态控制允许发电机工作效率点第三电压频率动态控制电机励磁踪风速变化降低机械传动量损耗该机组缺点风速时电输出少风力发电机组机电变换器线路中利极数额定功率值两台异步发电机方法达增加输出目该方案电网频率变情况风轮运行工况变换电机转速变化工况增加电输出实现机组衡起动电磁制动电网电压障时控制线路中伺服电动机备电源
利两台发电机疑会增加风力发电机组年发电量时会增加电气设备成增加折旧运行费采台双速变极发电机代两台额定功率值异步发电机
通进步研究发现双输出异步发电机产生功功率功率数效率较普通感应发电机高说普通感应发电机具优越性
1 双输出异步发电机工作原理
风转换系统中传统异步发电机电网输送电时作恒输出功率异步发电机超步转子速度运行特征速度高电机额定转速时损失风说该系统作恒频风转换系统运行异步发电机作种变速恒频装置运行转子回路整流器直流耦合变换器源逆变器相连转子回路转差频率交流电流半导体整流器整流直流逆变器直流变工频交流送交流电网中种量定子转子送交流电网中称双输出异步发电机时整流器逆变器两者组成转差频率转换工频交流变频装置控制逆变器逆变角改变逆变器电压该异步发电机作台双输出感应发电机超步速度运行实际异步电机串级调速风转换系统中实际应
种系统中异步发电机转子绕组侧接整流器控整流器转子绕组接交交变频器双馈调速系统较调节功中调节定子侧功功率逆变器功率数低整系统功率数较低SCR应衰退网侧谐波严重SCR交交变频电路逆变电路取代转子侧接交交变频器时检测控制转差频率电流存定困难采述串级系统解决问题
2 双输出异步发电机稳态特性
双输出异步发电机普通异步发电机进行较实验方法验证双输出异步发电机性实验时定子端电压减少165V（额定电压220V时）果施加额定电压异步发电机电流受限制获更实验数功功率相应转子电流转子速度变化转子速度增加时异步发电机发出功功率增加直达值止然降（电机失步）样应注意电机达失步前定子电流增加超额定值时会电机热然双输出异步发电机引起发热电流保持变超运行速度范围时额定发热范围稳定工作通改变变换器触发角实现
3 功功率功率数速度变化
普通异步发电机功功率双输出异步发电机高双输出感应发电机具较高功率数保持电机气隙磁通变情况通调节转子电压相位幅值补偿定子侧功功率换言建立气隙磁通激磁电流部分全部转子电压产生时定子侧功功率减少转子侧功功率增步电机激时情况类似增加转子侧激磁电流定子减少滞功功率提高电网侧功率数意味着连接电网时双输出感应发电机台较量转换器
4 效率速度变化
额定速度时双输出异步发电效率普通异步发电机效率高超步运行时发电机额定输出转矩变转速提高电机输出功率提高时铜耗铁耗基保持变电机效率提高
双输出异步发电机功功率功率数效率传统异步发电机高性具明显优势整系统结构简单价格低廉性高较宽速度范围工作外应指出转子回路中采直流耦合变换器转子定子中会引起谐波电流产生谐波转矩增加机械损耗双输出异步发电机特性带影响例直流回路中电抗器电感量足够时（Ld﹕等3Xpｗ0Ld﹕——折算转子整流回路均电抗器电感Xp——折算转子侧相漏抗ｗ0——定子侧电源频率）时逆变器脉动电势引起转子脉动电流忽略计 Ld满足述条件时会出现轻载时电流断续现象机械特性发生畸变外直流侧整流电压逆变电势瞬时值相等会引起逆变器提前短路形成环流通选择适参数（定子漏电感转子漏电感励磁电感定子电阻转子电阻）谐波分量降低脉动转矩铜耗均减少
2224 整流装置
1 整流电路选择策略[20]
1) 整流电路电力电子电路中出现早种交流电变直流电应十分广泛电路形式种样具特色种角度整流电路进行分类分类方法：组成器件分控半控全控三种电路结构分桥式电路零式电路交流输入相数分单相电路相电路变压器二次侧电流方分单双分单拍电路双拍电路
2) 种整流电路优缺点较
a) 单相半波控整流电路特点：简单输出脉动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变压器铁芯饱需增铁芯截面积增设备容量
b) 单相桥式全控整流电路单相全波二者区：单相全波控整流电路中变压器二次绕组带中心抽头结构较复杂绕组铁心铜铁等材料消耗单相全桥世界色金属资源限情况利
单相全波控整流电路中2晶闸单相全控桥式控整流电路少2相应晶闸门极驱动电路少2单相全波控整流电路中晶闸承受电压单相全控桥式整流电路2倍
单相全波控整流电路中导电回路含1晶闸单相桥少1少次压降
述较考虑单相全波电路适宜低输出电压场合应
c) 单相桥式半控整流电路特点：该电路实中需加设续流二极VDR避免发生失控现象电路简化
d) 电容滤波单相控整流电路特点：适交―直―交变频器间断电源开关电源等应场合中常功率单相交流输入场合
述种整流电路优缺点较根文研究风力发电机输出电求系统采电容滤波单相控整流电路
2 稳压电路选择策略
开关稳压电源发展迅速种类繁工作方式分控整流型斩波型隔离型三类
1) 谓控整流型开关稳压电源指采控硅整流元件作调整开关交流市电电网供电直接供电变压器变压供电工作半波截正弦曲线前部分部分占角度称截止角导通正弦曲线部分称导通角调导通角达调整输出电压稳定输出电压目方框图见图22
控电流
滤波
脉控制电路
图22 控整流型开关稳压电源
2) 谓斩波型开关稳压电源指直流供电输入直流电压加开关电路开关电路输出端单脉动直流滤波输入电压稳定直流输出电压输出电压取样较放控制脉信号控制调整开关导通时间截止时间相长短达稳压目方框图见图23种稳压电源开关元件常晶体三极担调压改变调整开关导通截止时间相长短实现
调整开关
滤波
脉控制电路
Ｕｉ
Ｕ０
图23 斩波型开关稳压器方框图
3) 谓隔离型开关电源指输出回路逆变电路间高频变压器磁场变化实现量传递没电流间直接流通惯称直流变换器直流变换器隔离型开关稳压器直流变换器中输入直流变成交变电压逆变器工作开关状态正弦波振荡状态少直流变换器没稳压功严格说直流变换器包括隔离开关型稳压器通俗采直流变换器词直流变换器指直流电压供电开关电路直流变成交流整流作相反通常称逆变器逆变器直流供电量转变成频率高交流量变压器隔离变压（升压降压）整流新直流输出电压输出取样放反馈逆变器控制工作达稳定输出电压目方框图见图24
逆变
变压
整流
滤波
反馈控制
Ｕｉｉｉｉｉｉｉｉｉ
Ｕo
图24 直流变换器方框图
根文研究采控整流型开关稳压电源电路
3 逆变电路选择策略
1) 直接逆变工频变压器升压交流220V
种方法电路结构简单控制较容易工频变压器增体积重量成外逆变时输入电压低造成电流功率选择较困难逆变电流较级工频变压器制作较困难
2) 高频链逆变技术逆变出交流220V电压
种方法高频变压器体积重量轻成低新兴技术逆变时精确确定电压零点电流零点控制电路较复杂难控制外目前采高频链逆变技术逆变器低功率范畴关资料表明目前功率仅300W
3) 高频升压接逆变器逆变出交流220V电压
种方法控制简单避免工频变压器升压电路供选择电路结构形式钟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选择输入输出隔离电路结构形式选择隔离电路结构形式身安全起见般选输入输出隔离电路结构
2225 储装置
般风力发电系统采电池储装置风力发电机储系统(图25)示图中发电机出口电压整流器出口电压 逆变器入口电压U负荷电压直流 直流转换器两直流电源间电压转换带电压隔离带电压隔离两种根风场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电池电压数输入测量值计算结果测量值控制器中进行较校正调节输出输出稳定研究表明系统参数中受风速变化影响次发电机电流整流器电流电池电流电池存发电机电压整流器电压短时间会风速变化剧烈波动电池容量限般容量孤岛型风力发电系统网型供电形式中基采
图25 采电池储风力发电系统
蓄电池优缺点较：
铅蓄电池：电压稳定供电原料丰富造价低廉电气性良
镍镉蓄电池：机械强度高耐充电放电量较等优点价格贵
锂离子电池：工作电压高量充电速度快等优点安全性循环寿命长价格贵
系统优化角度考虑采超导储单元更具优越性超导储单元柔性交流输电技术中种超导线圈强制换变换器控制器组成强制换变换器基晶闸半导体开关超导储（SMES）单元发出吸收功功功率具种功超导储单元作功功控制器控制幅值相位控电流源超导储单元储容量响应速度快电力系统中已少应解决次步振荡机系统稳定等问题应前景非常光明
然 SMES 价格较贵容量响应快90年代已应风力发电系统然迄止仅孤岛型风力发电系统着风力发电规模化产业化发展风力发电系统供电形式必然孤岛型网型发展网型供电形式中应超导储SMES 技术首先建立系统结构图图26 示 表示发电机出口母线电压采超导储(SMES) 控制单元方框图图27 示
图26 系统结构图
图27 SMES 系统方框图
（24）
（25）
（26）
（27）
(24)（25）（26）（27） 式（图27）知超导储(SMES) 控制单元异步发电机滑差变化Δs 发电机出口电压变化| Δ| 作输入信号 输出母线功功率功功率发生变化影响风力发电机发出吸收功功率功功率超导储作电流源输出电流 已变换超导储(SMES) 装置电流电压偏差强制换变换器时间常数 超导储线圈电感 分电压电流标幺值异步发电机滑差系数应电流例系数
系统采超导储单元提高整系统输出
2226 控制系统
风力机组够稳定运行必须进行效控制考虑风力发电机组特殊性重性序控制器应次满足求：
1) 风转换系统稳定
2) 运行程中种确定素阵风剪切风负载变化作具鲁棒性
3) 控制代价．输入信号幅值定限制调时问等
4) 限度风转换电额定风速发电机种风速时输出电功率达额定风速时保持输出电功率常量
5) 风力发电机输出电功率保持恒压恒频较高电品质质量
变速恒频风力发电控制系统中需种功率转换装置发电机发出电控制恒频组成环节作：
1) 发电机风力机输出机械转变电
2) 发电机侧变流器关断器件（GIRIGBTGTO等）构成ACD变流器采定控制方法发电机发出变频交流转换直流
3) 直流环节般直流环节电压控制恒定
4) 网侧变流器关断器件构成DCAC变流器采某种控制方法直流电转变三相正弦波交流电（50Hz690V三相交流电）效补偿电网功率数
5) 变压器通变压器开关设备保护设备电变高压交流电（11kV33kV等）
中2～4称变频器量流某控制方案中双述变频器交直交变频器采交交变频器外方案中发电机全部功率通变频器进行转换方案部分功率通变频器进行转换
223 变速恒频风力发电系统运行控制总体方案
变速恒频风力发电追踪风系统运行控制总体方案：额定风速风力机优化桨矩角定浆距运行发电机控制子系统控制转速调节风力机叶尖速实现佳功率曲线量捕获额定风速风力机变桨距运行风力机控制系统通调节节距角改变风系数控制风电机组转速功率防止风电机组超出转速极限功率极限运行造成事额定风速运行变速恒频发电运行工作方式济高效运行方式种情况变速恒频风力发电系统控制目标追踪捕获风必须研究风电系统风捕获运行控制机理控制方法
2231 风力机佳运行原理
台风轮半径风力机风速运行时产生机械功率： （28）
式中 ——空气密度
——风力机输出功率系数（般Cp13～25达1627059）
——风力机扫掠面积
——风速
(1)式出定风速 值越风转化机械效率越高风利系数 (叶尖速)关系叶尖速表示：
（29）
式中
——风力机机械转速(Rad／s)
——叶片半径(m)
——迎面风速()
知某特定值时应恒速恒频风力发电机变风速断变化恒速恒频风力发电机总工作低效状态果风速变化时候通适调节发电机转子转速某特定值变保持限度利风变速恒频技术优势
风力发电机组控制目标通常项控制方法种样目前亟解决两核心问题：风捕获提高风转换效率改善电质量问题实现风捕获风力机三种典型运行状态：
1) 低风速段实行变速运行保持恒定风利系数值根风速变化控制风力机转速叶尖速变直转速达极限
2) 转速达极限风速进步加时．恒定转速控制风力机运行直输出功率时风利系数 定值
3) 超额定风速时输出功率达极限恒功率输出调节风力机
2232 风力发电系统优控制原理
优控制现代控制理重组成部分优化理控制问题种体现线性优控制目前诸现代控制理中应成熟分支已广泛应电力系统交流传动电力电子等领域般线性优控制系统：
（210）
式中：阶矩阵阶矩阵
性指标：
（211）
中：终端时间终端状态
优控制问题表述：求允许控制：系统初始状态)出发时间间隔达目标集性指标线性优控制求解问题变分法极值原理果性指标采二次型性指标：
（212）
中：分状态量控制量权矩阵优控制系统设计转化黎卡提方程中解出阵优控制 问题
二次性指标选择权矩阵项较困难工作选择优控制针该确定性指标言恰选择权阵线性优控制设计中需注意问题优控制中性指标选取直接表明设计者控制目．选时间时间优选状态状态优选择控制量优选择谐波损耗谐波损耗优控制
风力发电系统应控制方法中传统PID 控制常见次优控制
2233 风捕获控制
1 控制发电机转距实现风捕获控制
实现风捕获控制(Maximum Power PointTracking简称MPPT)风力发电系统必须实行变速运行系统够风速获佳叶尖速变速方法分两类：动变速通改变风轮桨距角改变风电系统总输入气动转矩动变速根测量风速调节发电机部分相联逆变器导通角调节发电机电磁转矩相恒速风力发电机组变速风力机然增加风捕获功率通常需等容量功率变换器相匹配增加机组制造成目前国外研究双馈刷双馈发电机较理想选择．类电机仅功率变换器容量降低机组额定容量20％ ～50％ 固定功率速度运行点调节电机功率绕组控制绕组间功率流降低损耗基MPPT风速估计器效率点踪研究模型设计优控制器优化刷双馈变速风力发电系统输出功率
异步发电机磁场定控制实现电机功功功率解耦转矩功率数解耦电机功率数调优控制应定子磁场定高效全控型双馈风力发电机中电机定转子边套全控型功率变换器控制定转子电压频率发电机工作弱磁风状态考虑磁路饱问题出相应电流控制方法导出优铁损耗状态方程仿真表明方法低风速时风捕获效率提高6％具滑差功率回馈兆瓦级双馈感应风力发电系统转差率控制够获适合风力发电求运行速度范围转子回路中接两背背变频器目通化电气损耗获系统全局效率实现风捕获佳速度踪电机功率数±09间意调节
独立运行风力发电系统采类调阻抗滤波器方法线调节三相控硅触发角稳定母线电压保证风系统阵风负载变化时获风利
2 控制风力机桨距角实现风捕获控制
台变桨距偏航控负载型试验风机中应两优控制器：额定风速时起作调节风机获风额定风速时控制功率转矩恒定仿真结果表明：获较功率品质运行点进行线性化处理时略高次项导致分严格性指标求控制器间切换频繁桨叶应力较疲劳负载较严重类现象需引起足够重视
针非佳叶尖速时两种模态采控制策略设计出赖具体风电系统特性风捕获控制器种类型风系统实现阵风电力系统扰动情况输出功率电压快速稳踪采静态VAR补偿器调节异步发电机输出电压采变浆距机构调节机械输入功率方法：结合极值控制适应控制理采改进 Krsitc 方法进行风轮桨距角控制设计获输出功率踪获全局优化永磁电机风电系统桨距角叶尖速变量采适非线性寻优单纯形加速法定风速佳风轮转速_控制反馈电网电流控制直流侧电压调节电机转速实现风捕获整风速范围电机转速寻优控制外环具饱特性速度环控制桨距角具饱特性功率控制环控制逆变器额定功率保持额定功率PI调节器保持输出电压稳定输出电流试验结果证明控制策略行性
传统风力机组控制通常具环结构形式通动态补偿器反馈电压误差转速获电压调节通电功率误差PI反馈(桨距控制)转速反馈获功率凋节两类控制致相带宽获取希控制性时环环间相互作会产生困难解决问题采类积分型输出反馈调节器联动控制桨距角励磁电压次优调节风力机组输出功率端电压
2234 风力发电机组运行稳定性控制
1 偏航控制抑制塔身扭矩震颤
通偏航机构连续控制效降低结构性动态负载振荡基柔性结构风机模型分析研究偏航控制塔身弯曲尤侧弯曲影响类似装置弹簧阻尼器悬挂系统PD控制器偏航角偏航速度控制变量周期性时变 LQ 偏航控制器够获样侧阻尼效降低塔身扭矩控制代价仅相 PD 控制器10％ 控制方法塔头方运动模式
现代风机研究制造重目标降低单位发电成效功率控制仅增加风捕获降低结构性成稳定边界风机趋轻质化更加柔性化常见两种功率控制方法桨距调节发电机电磁制动转矩控制偏航控制中运 LQ 优控制理降低风转换系统中结构性动态负载抑制塔身侧弯桨叶震颤
2 桨矩控制抑制塔身扭矩传动链应力
减转子应力桨叶塔身颤震功率振荡改善阵风响应运 LQG 优控制理设计全状态周期性桨距控制器系统状态方程轴转子角周期性函数通模拟结构性负载应力确实减少改善静态输出功率功率品质类方法仿真均建立状态反馈基础实现观点实需输出反馈重新评价应优传统控制器风转换系统中重点阶传动链模式提供阻尼控制中桨距控制环发电机励磁电压控制环：传统控制器包括电功率 PI 环轴速度 P 环发电机传统 AVR端电压电功率偏差积分目标优 MIMO 控制方案保持重状态时状态反馈设计转化输出状态反馈仿真剧烈阵风电气障时响应类 MIMO 方案获更稳桨距调整程硬件兼容基础传统方案行控制系统设计研究性分析中三种风模型否考虑测量噪声明确方案引起结构负载问题没提
3 优控制定桨矩风力发电机组中应
设计变速风转换系统控制器时必须考虑湍流引起非线性动态系统振问题尤轻质柔性结构系统类系统然降低成时导致系统固频率数值较低会出现闭环运行频带中：应系统辨识法描述变速定桨距异步风系统模型较六种线性非线性控制方案 进行范围频域时域分析获较满意结果该模型设计评价风机速度调节类线性非线性控制方案 LQG 控制应变桨距恒速水轴风转换系统中调节桨距保证输出功率维持额定值附．该控制器仅额定风速起作开关暂态：通实际风机模型非线性模拟测试验证阵风情况控制系统性
风电系统求风捕获求稳力矩传递动态佳叶尖速踪必须根风速调节风机转速导致力矩传动链中产生力矩振荡：采类 LQG 方法二次型性指标函数优化风捕获传动链负载限制求线性控制方法：线性控制器采恒值参考速度非线性化空气动力特性引入力矩动态特性 LQG 非线性控制器风速变化时首先减发电机力矩转速快速响应风速变化直力矩达新衡点实现速度快速响应减力矩波动
风速风机性会风力发电机组输出电压频率产生波动减致消波动风电技术重研究课题应优控制方法超导储单元 (SMES)加入网型风力发电系统中首先建立SMES 模型加入SMES系统线性化仿真模型采遗传算法求解优反馈矩阵助 MATLAB 软件包设计控制器仿真结果表明改善风电系统输出电压频率稳定性
优控制技术先进控制技术中风力发电系统中应早相较成熟控制方法风力发电系统质非线性然风风速风机性间歇性湍流风机尾流效应确定素优控制实现必须精确数学模型控制器设计基础．风力发电系统未免求高优控制策略控制方法模糊逻辑控制鲁棒控制方法结合起束混合控制技术效解决风力发电系统类关键控制问题：提高风转换效率改善电品质减柔性风电系统传动链疲劳负载等风力发电系统控制出路
第3章 风力发电机设计
31 概述[11]
风力发电采发电机两种：步发电机异步发电机采三相异步发电机三相异步发电机孤立运行联网运行异步发电机入电网手续极简单发电机转子带动接步转速注意转子转必须定子旋转磁场转致入电网电网容量足够时电网电压频率均异步发电机转速关通常步发电机入电网必须整步入电网时会发生振荡失步问题异步发电机中均存外低耗高性需励磁装置电刷结构简单尺寸坚固耐基需维修已成风力发电系统理想设备次设计采异步发电机
32 风力发电机
321 风力发电机结构
风力发电机定子定子铁心定子绕组机座三部分组成
定子铁心磁路部分减少激磁电流旋转磁场铁心中产生涡流磁滞损耗铁心厚05mm硅钢片叠成容量较电动机硅钢片两面涂绝缘漆作片间绝缘型定子铁心硅钢片叠装压紧成整体固定机座中型型定子铁心扇形片拼成
定子铁心圆均匀许形状相槽嵌放定子绕组型感应电机通常采半闭口槽高强度漆包线绕成单层绕组线圈铁心间垫槽绝缘半闭口槽减少磁路磁阻激磁电流减少嵌线较方便中型感应电机通常采半开口槽型高压感应电机开口槽便嵌线较电磁性中型异步电机采双层短距绕组
转子转子铁心转子绕组转轴组成转子铁心次路部分般厚05mm硅钢片叠成铁心固定转轴转子支架整转子外表呈圆柱形转子绕组分笼形绕线形两种笼形绕组行闭合绕组插入转子槽中导条两端固定环形端环构成果掉铁心整绕组形圆笼称笼形绕组节约铜提高生产率型笼形电机般铸铝转子中型电机铸铝质量易保证固铜条插入转子槽两端焊端环结构笼型电机结构简单制造方便种济耐电机应极广泛绕组型转子槽嵌绝缘导线组成三相绕组绕组三出线端接设置转轴三集电环通电刷引出种转子特点转子绕组中接入外加电阻改善电动机起动调速性笼型转子相较绕线型转子结构稍复杂价格稍贵求起动电流起动转距需调速场合减少电流提高电机功率数异步电动机气隙选较中型电机般02～2mm
322 风力发电机原理
风力发电机利电磁感应原理通定子三相电流产生旋转磁场转子绕组中感应电流相互产生电磁转矩进行量转换正常情况异步电机转子转速总略低略高旋转磁场转速（步转速ns）感应电机称感应电机旋转磁场转速ns子转速n差称转差转差Δn步转速ns值转差率s表示：
S （31）
转差率表征异步电机运行状态基变量
异步电机负载发生变化时转子转速转差率变化转子导体中电动势电流电磁转矩发生相应变化适应负载需转差率正负异步电机电动机发电机电磁制动三种运行状态
转子转速低旋转磁场转速时（ns＞n＞0）转差率0＜s＜1设定子三相电流产生气隙旋转磁场时针转右手定确定转子导体切割气隙磁场感应电动势方转子绕组短路转子导体中便电流流转子感应电流气隙磁场相互作产生电磁力电磁转矩时电机电网输入功率通电磁感应转子输出机械功率电机处电动机状态
电机原动机驱动转子转速高旋转转速(n＞ns)转差率s＜0时转子导体中感应电动势电流功分量电动机状态时相反电磁转矩方旋转磁场转子转两者相反电磁转矩制动性质转矩转子持续高旋转磁场转速旋转原动机驱动转矩必须克服制动电磁转矩时转子原动机输入机械功率通电磁感应定子输出电功率电机处发电机状态
机械外转子逆着旋转磁场方旋转(n＜0)转差率s＞1时转子导体切割气隙磁场相速度方电动机状态时相帮转子导体中感应电动势电流功分量电动机状态时方电磁转矩方相转子转变转子言电磁转矩表现制动转矩时电机处电磁制动状态方面外界输入机警功率时电网吸取电功率两者变成电机部损耗
33 三相异步发电机电磁设计
331 三相异步发电机电磁设计特点
异步发电机发电机相具突出点：直流发电机步发电机样需直流电源励磁结构简单体积刷（指鼠笼式）样运行电网联程非常简单易控制转子驱动量接步转速入电网吸收滞功电电流激磁网异步发电机说电网吸收功电流电网功率数变坏异步发电机激磁电流较般中型异步电机＝（20～30）％型步发电机激磁容量常额定容量1激异步发电机说需激磁电流联电容提供传统方法联价格较高较笨重电力电容器激异步发电机运行端电压频率负载变维持电压频率恒定源原动机转速调节外须根负载性质时调节联电容器样电压质量高满足需解决问题仅控制方面改进首先电机设计开始分析[1]
332 三相异步发电机三相异步电动机差异[2]
理说异步发电机异步电动机异步电机两种运行状态前者机械转换电者电转换机械设计家两者区电机步电机直流电机两种状态较广泛应已专门分析方法异步发电机应远异步电动机普遍长期注重异步电动机设计制造异步发电机电磁设计制造搬异步电动机相容量异步电动机作异步电机通分析知种简单搬恰
图31异步电机量图图31知台异步电机作发电电动运行时定子电流相位量差第：作异步电动机运行时作发电机运行时相样发电状态时满载系数（）作电动状态时时发电机额定电压电动机额定电压高更加重发电状态满载电势台异步电动机作发电机运行时满载电势增加电机饱度提高电机需激磁电流激增网运行时电网吸收量滞功电流电网功率数降低激运行时必须量电容器满足需功电流两种情况异步发电机运行成增加二铁耗增加发电机发热绝缘老化降低发电机寿命异步发电机满载电势系数取值般异步电动机085～095取值第二：异步电机电动机运行时夹角作发电机运行时异步电动机设计中许公式基作出相位电动机状况发电机设计中应重新计算免引起较误差
图31 异步电机量图
333 三相异步发电机电磁设计方案
根设计求额定数参考异步电动机电磁计算程序确定电机电磁负荷计算定子转子片铁心部分尺寸绕组数进核算电机项参数性设计数做必调整直达求异步电动机异步发电机差异直接引必须重新分析计算述容均基海电器科学研制出版中型三相异步电动机电磁计算程序
1) 满载电势系数1ee取值范围异步电动机般085~095间异步发电机般095~1间
2) 异步电动机中1ee1(× +)异步发电机中间夹角90°某项目符号必须改变
3) 异步电动机中km××()2× [1+(km××)2]异步发电机时误差较应导出新计算公式
4) 电动机计算铁耗时应空载时电势1e0发电机满载时铁耗应应满载电势1ee
5) （1ee）更接发电机实际情况
外设计程中注意适提高发电机载力功率数保护线路采取措施
334 三相异步发电机电磁计算程序
3341 额定数尺寸
1 额定功率 ＝600 KW
2 额定电压 690 V 3984 V
3 功电流 50204 A
4 效率
5 功率数
6 极数 ＝2
7 定转子槽数 ＝48 ＝40 (取 ＝4 )
8 定转子极槽数：
定子 ＝＝12
转子 ＝＝10
9 定子外径
验公式2极型电机满载电势标值
＝0975
计算功率
＝664773 VA
初选 ＝072 ＝112 ＝098＝46000 Am
072 T假定1450 rmin：
＝010685
取＝074
＝0569 m
1015 m
根标准尺寸确定
＝102 m
10 定子径 ＝057 m
铁心效长度
＝0329 m
取铁心长 ＝0325 m
11 气隙 验公式 ＝102 m
12 转子外径 ＝0568 m
13 转子径 ＝008 m
14 铁心长 ＝ 0325 m
铁心效长度（径通风道） ＝＋20325+21020327m
15 定转子片尺寸（见图附1）
16 极距 04477 m
17 定转子齿距：
定子 ＝ 00373 m
转子 ＝00448 m
18 定子绕组采单层绕组
19 转子斜槽宽 （取定子齿距） ＝00375 m
20 相导体数 48
单层线圈＝线圈匝数3
21 相串联导体数 ＝48
相串联匝数 ＝24
22 绕组线规设计 ＝9836
＝5705 A
23 槽满率 ：
初步取＝15 T
估计定子齿宽
＝＝001885 m
初步取 ＝15 T
0977m
00196 m
（取 ）
（）
（1）槽面积 ＝000217
（）
（2）槽绝缘占面积： 单层 ＝000059
（3）槽效面积 ＝000158
（4）槽满率 ＝ 078 (符合求)
24 绕组系数
（1）分布系数 ＝
（2）短距系数 ＝1
＝109254＝09254
25 相效串联导体数 ＝4809254＝ 44
3342 磁路计算
26 初设 ＝0975：
E1KE′UNΦ0975×69067275V
27 计算极磁通 初设饱系数 查
＝＝00868 Wb
中 ＝＝40862 V
28 极齿部接截面积：
定子 ＝＝006984
转子 ＝＝007487
29 定子轭部计算高度
＝
＝01369 m
转子轭部计算高度
＝
＝00962 m
轭部导磁面积
＝095032501369＝00423
＝095032500962＝00297
30 空气隙面积 ＝＝014729
31 波幅系数 ＝＝139
气隙磁密 ＝08192 T
32 定子齿磁密 ＝＝17276 T
33 转子齿磁密 ＝16115 T
34 定子轭磁密 ＝ 10260 T
35 转子轭磁密 ＝14613 T
36 空气隙磁密 ＝08192 T
37 根D23曲线 数查出磁场强度
(单位 ：)
38 轭部磁路计算长度
定子 ＝＝01104 m
转子 ＝＝02608 m
39 效气隙长度 ＝
＝118 m
半闭口槽半开口槽 ＝1164
40 齿部磁路计算长度
＝00827 m
＝01447 m
齿部磁压降 定子 ＝69799 A
转子 ＝59038 A
41 轭部磁压降计算 0311810260 T查
＝0846
＝＝02148＝14613 T查
0212
定子 ＝3811 A
转子 ＝9178 A
42 空气隙磁压降 ＝
778095
43 饱系数 ＝117
假设系数较 误差 ＝＝085％ < 10％合格
（值31项中假定值相符否重新假定计算31～43项中关量求精确误差部）
44 总磁压降
＝778095 + 69799 + 59038 + 3811 + 9178
919921
45 满载磁化电流 ＝ 61363 A
46 满载磁化电流表值 ＝ 1222
47 励磁电抗表值 ＝0818
3343 参数计算
48 线圈均半匝长（见图附2）
定子线圈节距
＝0949
m
均半匝长（单层线圈）＝＝1474 m
式中 验系数2极取116
49 漏抗系数
008067
50 定子槽漏磁导
1017＋0866＝1883
51 定子槽漏抗 ＝0846
径通风时 ＝0325 m
52 定子谐波漏抗
＝1124
53 定子端部漏抗
单层交叉式 ＝0764
54 定子漏抗
＝（0846＋1124＋0864）
＝2834008067＝02286
55 转子槽漏磁导 ＝（手册查出）
＝ 2826
56 转子槽漏抗 ＝1644
径通风道时 ＝0325
57 转子谐波漏抗 ＝（）
＝0316
58 转子端部漏抗
03290612
59 转子斜槽漏抗 ＝0413
60 转子漏抗
＝(0644+0316+0872+06243)3456
02788
61 总漏抗 ＝02286+0278805074
62 定子直流电阻 ＝1913
式中：级绝缘——铝
铜
63 定子相电阻表值 ＝2411
64 效材料
定子导线重量 ＝ 20439 Kg
式中 C考虑导线绝缘引线重量系数漆包圆铝线取11导线密度铝
65 转子电阻
导条电阻折算值 ＝1124
式中 叠部整齐造成导条电阻增加系数铸铝转子104
电阻率——级绝缘铸铝
端环电阻折算值 ＝0862
导条电阻表值 ＝1416
端环电阻表值 ＝1086
转子电阻表值 ＝1086＋1416＝2502
3344 工作性计算
66 满载时定子电流功分量标值 ＝10417
67 满载时转子电流功分量标
＝06247
＝16203
68 满载时定子电流功分量标值 ＝1222+06247
18494
69 满载电势标值 ＝0975
值28项中假设值相符
70 空载电势标值 ＝＝0924
71 空载时定子齿磁密 ＝1524 T ＝2254 Acm
72 空载时转子齿磁密 ＝1384 T ＝1186 Acm
73 空载时定子轭磁密 ＝1337 T＝100 Acm
74 空载时转子轭磁密 ＝1296 T＝897 Acm
75 空载时气隙磁密 ＝07218 T
76 空载定子齿磁压降 ＝42842 A
77 空载转子齿磁压降 ＝41436 A
78 空载定子轭磁压降 ＝48694 A
79 空载转子轭磁压降 ＝21468 A
80 空载气隙磁压降 ＝401432 A
81 空载总磁压降 ＝555862 A
82 空载磁化电流 ＝4659
83 定子电流标值 ＝1177
定子电流实际值 ＝61357 A
84 定子电流密度 ＝3098
85 线负荷 ＝44251 Am
86 转子电流标值 ＝11375 A
转子电流实际值 ＝61864 A
端环电流实际值 ＝149621 A
87 转子电流密度 导条电密 ＝3255
端环电密 ＝2403
88 定子电气损耗 ＝0043
＝68436 W
89 转子电气损耗 ＝0034
＝56465 W
90 附加损耗
铜条转子
＝42587 W
91 机械损耗 参考实际试验值
92 定子铁耗
（1）定子齿重量 ＝4245 Kg
（2）定子轭重量 ＝6847 Kg
（3）损耗系数 （查）
（4）定子齿损耗 ＝14236 W
（5）定子轭损耗 ＝48635 W
（6）定子铁耗 ＝56413 W
铁耗校正系数 25（半闭口槽）30（开口槽）
2 （半闭口槽）25（开口槽）
铁耗标值 ＝0021
93 总损耗表值 ＝01143
94 输入功率 ＝28423
95 效率 ＝09594
96 功率数 ＝08803
97 转差率 ＝ 285
＝00122
98 转速 ＝1490 rmin
99 转矩 ＝245
结束语
通学期毕业设计学东西前理知识次型毕业设计第次学会单独完成设计务查找资料懂科学门实实学问半点虚假求步脚印做步工作
次毕业设计课题风力发电机设计风力发电系统研究单课题涉知识面非常广中许前接触东西刚开始课题时候知手脑子片空白然两周量阅读参考资料复专业书次请教老师学逐渐课题容较深认识基掌握风力发电机工作原理设计思路设计时应注意种问题解决问题方法作量准备工作设计出套计算程序初步确定电磁设计方案三星期努力完成电磁计算计算出项指标均符合求
久设计然累压力工作结果感欣慰相信付出会回报久设计提高独立思考独立解决问题力懂做学问定沉心认真做学力提高工作奠定基础
参考文献
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致 谢
毕业设计全部工作XXX老师悉心指导完成文字里行间凝聚着邓老师汗水心血衷感谢XXX老师整设计程中指导学帮助帮助利完成整设计时感谢图书馆工作员热情服务查找资料提供方便感谢学校领导监督支持家力支持鼓励
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XXXX年XX月XX日
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