漂浮风力发电系统的耦合动态建模
译文
学院：船舶与建筑工程学院专业：船舶与海洋工程
学号：
姓名：王振翔
指导教师：
江苏科技大学
2012年 5 月 25 日
漂浮风力发电系统的耦合动态建模
E.N.Wayman and P.D.Sclavounos
Massachusetts Institute of Technology
摘要:本文提出了一种合作研究计划，MIT和NREL已经从事为水深10-200 m的海上风力发电开发创新、经济的流动和系泊系统。在频率范围内给出了漂浮风力发电系统的耦合结构，水动力和空气动力的分析方法。通过再生能源实验室用波浪载荷耦合空气动力和结构动力代码FAST[4]和麻省理工学院开发的回应仿真代码WAMIT[15]，共同构成了这项分析。
分析工具用来考虑风力发电和漂浮系统之间的耦合作用。这些工具包括塔和浮子上的负载的风涡轮转子，风涡轮转子产生的气动阻尼，波体干扰产生的流体动力阻尼，和波干扰产生的流体动态力。
在水深为10-200m的情况下，对两个加上可再生能源实验室5兆瓦海上基准风力发电机组的浮子的概念进行分析。选出这些概念来表示获得稳定的两种不同方法，以致去分辨在运行和成本上的区别。
对这些结构静动态的分析能够估计系统在一定频率范围下对波干扰的反应，系统的固有频率，系统在各种风浪环境下每个自由度运行的标准偏差。本文探究了耦合风力发电和漂浮平台的作用，水深的作用，风速影响系统性能的作用。
也经常对这两个概念的经济可行性进行分析。关键成本部分包括浮标的材料和施工成本；系链的材料和安装成本，系泊缆绳和锚固技术;运输并在选定区域安装系统的成本，和在平台上装配风力发电机的成本。
用静动态性能和彻底的更新费用来评估这两个系统。两个系统证明了合理的运动，预估成本为$1.4?$1.8，不包括风力发电的成本，动力电子设备的成本，或是传真的成本。
1. 简介
在美国的海岸大约有1TW未开发的富足风力资源。这些资源在水深超过30米离海岸5m-50m的地方能够得到。在此深度下，目前在深扎海底的木桩上安装风力发电机是经济可行的。在漂浮平台上部署风力发电技术为在深海岸风能提供了可能的解决方案，并且有可能替代浅水区的木桩。以前J.E.Withee [16], K.H. Lee [8] and [9], and K.C.Tong [13]的模拟研究表明漂浮的风力发电系统是一个很有可能实现的结果。尽管如此，风力发电和漂浮平台的耦合只是在某种程度上已经被发现，最理想的设计概念仍然还不知道，而在漂浮平台上安装风力发电机的技术成本过高。
因此，本文有四个目的: (1)首先将耦合考虑到风力石油天然气行业的正确代码，并开发工具来模拟分析风力发电和漂浮平台系统的耦合行为；(2)研究理解在各种风浪环境下这些系统的行为；(3)来确定最划算的能够解决深水问题的结构；(4)海上操作的时候能够避免在平台上安装风力发电机。
首先要测试机械的稳定性，并且建议两个能分离不同稳性机制的结构。下一步去观察耦合系统在各种风浪水深情况下的动态。这两个平台概念是麻省理工学院/国家再生能源实验室提出的SDB和TLP。通过高水线面积修复来获得恢复力矩，因此在漂浮和安装的过程中使用安装好的风力发电是很稳定的。SDB的系泊系统最初能保证平台协调，并不会有利于系统在俯仰和侧滚的稳定性。另外，
TLP 通过张力腿漂泊系统取得最初的重建在漂浮和用发电机安装的时候，有足够的水性和惯性来提供稳性。
下面的段落通过详述静态设计和静动态分析来概括这个过程。稍后将给出并讨论这个作为结果的结构和他们各自的静动态特性，然后再讨论极端的波情况。最后，初步的经济分析总结会预测每个结构的成本。结论概括了每个机构的关键并讨论他们的可行性。
2. 系统坐标及其运行模式
耦合的风力发电和漂浮平台系统的假设，是基于承受严格波体互动理论的标准运行模式。模型1-3是3叶逆风5-MW；它的性能是通过操作机器和概念研究来猜测得到的。主要性质详见表1。
转子旋转方向逆风
操控可变速率，总变矩
转子直径/桨毂直径126m/3m
桨毂高度90m
12.1rpm/1173.7rpm
最大旋转角/发电机转
速
最大桨叶梢速80m/s
悬垂/倾斜轴/旋翼参数5m/5°/-2.5°
旋转质量110000kg
货舱质量240000kg
塔台质量347460kg
表1 5-MW风力发电机
3. 再生能源实验室5-MW海岸风力发电机
再生能源实验室在5中给出了这种模型的详细信息及工作原理。选用5MW的功率是因为它在性价比的深海风力发电中是功率最小的。
把系统分析为4种风速，通过风力发电的操作谱来描述耦合系统在各种风速下的运行情况。九米每秒的风速代表了动力曲线中的区域二。在这种风速下，涡轮发电机几乎用了一半的额定功率。它的额定功率表示成每秒12.2m，最先达到了其额定功率值。在风力发电机使螺旋桨顺流交距来维持额定功率时，15m/s代表风速超过了额定风速；每秒25m是切出速度，或者是发电机操作时的最高风速。
4.综合研究方法
这个研究目的是增进漂浮风力发电系统的可行性。它的目标是研究耦合风力发电和动态漂浮系统的漂浮结构，探讨气候状况的影响，和确定最低成本的漂浮结构去支持能展示良好操作性能的风力发电机。避免不确定性和给海上漂浮平台增加发电机的成本，这项研究寻求给这样的结构下定义，这些结构允许把风力发
电安装在海岸平台上或是船坞中并且可以拖动到已经设置好的地点进行安装。
为了达到这样的目的，这项研究首先测试了为结构提供恢复力的机器。在此背景下，进行一个静态设计过程来提供两个成本较低的结构体，并且能够保证提供足够的恢复力使系统运行流畅，安装的时候可以让系统获得稳定的操作点。当估测不同风速下的操作点时，这些结构就传递静态分析。然后，当估测出动态内容时，系统和不变的操作状态传递了动态分析语句，内容包括系统的RAOs，固有频率，和在各种风速海况下的标准运行偏差。表2概述了一般的过程：
图2 研究方法
5.麻省理工学院/再生能源实验室SDB和TLP的静态设计
设计方法
耦合风力发电漂浮平台系统的静态性能是带动漂浮平台设计的最初规范。设计耦合系统来验证在其安装阶段静态系统的不变性，是关于其应对任何波浪所做出的振动。而且，系统必须在拖曳的时候获得一个确定的静态平衡等级。
系统在静态操作中所处的位置是由外在施加的力和系统恢复力的属性决定的。通过三种一般的机制获得恢复力:水线面的运动，压载力在系统重心和浮心间产生垂直间距，还有系泊系统。这些机器充当了漂浮结构的分类。
从概念上讲，这三种恢复机制可以由三种极端机构概括:水线面的运动，重心和浮心间的垂向间距，系泊系统。这些重建的方法和典型的结构见表3灰色部分：
图3 回复机制和典型结构 本文测试了极端情况下结构的性能及最实用的表象特征。最近，麻省理工学院和国家再生能源实验室通过水线面运动和系泊系统，初步恢复了SDB 和TLP 的研究。这些结构构见图3中红色部分。没有在这里提出极端的压载情况，是因为初步考虑到结构类型，它表明吃水需要有足够的惯性恢复力去弥补其结构在任何实际船坞和码头存在的不可行性。
接下来的部分概述了静态过程来满足麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB 和TLP 提出的技术规范。
麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB 的静态设计
麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 是为了展示水线面获得恢复力的方法。尽管如此，机构也要维持一定的压载来获得合理的吃水。因此，麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 通过水线面和压载的最佳混合来获得恢复力。 静态设计和分析阶段正在初步进行，参考[3]和[11]中的原理，确定好麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 的型号和形状，能够在解缆操作中提供足够的稳性。一旦系泊，系泊缆绳就只提发挥定位作用了。因此，麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 系统应该能够在涌浪中保持平衡。
并且需要合理的论证在无附加系泊缆绳恢复力的全面运作模型情况下，其他所有运动的静动态性能，平台几何的问题决定了最优尺寸和形状，它把耦合漂浮风力发电系统的静态不变螺距限制在了指定界限值的螺旋角内了。系统必须在操作中所承受的最大风速载荷情况下，维持一个不变的合理螺旋角，系统承受的俯仰力矩和系统螺距的恢复性能决定了不变螺距，见下面的等式：
55
5C F =5ξ
F 5 是由风力发电机上的风力载荷产生的关于起始坐标系的俯仰力矩，F 用
F Thrust 表示，这里表示力矩。见下面等式：
Hub Thrust Z F F =5
在麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 的情况下，通过流体静力学（水线面力矩和浮心的位置）和惯量（压载和质心的位置）。圆柱体和圆柱表面的静力学和惯性纵摇系数表示如下：
4
4111&55R g Z M Z F C G g B B H πρ+-= F B 和Z B 表示浮力和浮心，M 11是系统的总质心，Z G 是重心，ρ是海水密度，R
是圆柱半径。
可以推算出，纵摇超过10度风力发电机就会失效。因此，在本文中极限纵摇值取10度。最大的风力载荷取800000牛，稳态推力为每秒11.2m 并且作用在风力发电机的轮毂上，Z Hub 等于 91.5 米。通过解决恢复系数限制10度纵摇来找
到必要的系数，等式如下所示：
][102.4855
55m N F C -?==ξ
通过调整平台的吃水和半径，往圆柱内倾注混凝土增加压载来得到足够的恢复力系数。麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB 的最终规模和性能已经在表2中列出。
圆柱半径 18m
圆柱高度 6.5m
混凝土压舱块高度 1.65m
钢板厚度 0.01m
实际吃水 5m
甲板间隙 1.5m
钢重量 218 metric ton
混凝土重量 4299 metric ton
发电机重量 218 metric ton
总重量 5210 metric ton
浮心重量 5210 metric ton
储备浮力 0kg
重心 4.25m
浮心 -2.5m
表2 麻省理工学院/再生能源实验室SDB 性质
麻省理工学院和国家再生能源实验室TLP 的静态设计
麻省理工学院和国家再生能源实验室的TLP 旨在展示一种结构，它能够通过张力腿系泊系统获取恢复力。在这个稳性过大的系统中得到的结果，与麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB 相关，通过锚索来施加可观的力。静态设计过程沿着[16]的主线进行并利用[3]和[11]的原理，最后决定锚索的张力和TLP 的规模。
纵摇的恢复力系数由锚链提供，如下所示：
T F R L EA C Tethers Tethers
Tethers Tethers +=255)()(2 (EA)Tethers 是弹性模数乘以锚链的轴截面面积，L Tethers 是锚链的原长，R 是圆
柱半径（或是到锚链导缆孔的径向距离），F Tethers 是锚链产生的总力，T 是圆柱
吃水（或者是到锚链导缆孔的垂直距离）。
等式表明了恢复力和锚链弹性刚度之间的关系。本文考虑了刚性构件的运动情况，因此在本文范围内的弹性运动模数，和锚链的刚性都取无穷。假设使锚链的纵摇恢复力趋向无穷。刚性防止了任何在纵摇、横摇方向上的运动，因此喘振、横荡、首摇限制了平台的运动。系泊系统设计的必须能够充分的限制这些模型的运动。
张力腿系泊系统也必须提供所有锚链足够合适的张力。作用在X 正方向的不变风力，增加锚链3的张力，减少锚链1的张力来保持力和力矩的平衡。最初选定的锚链张力必须保证迎风缆绳的张力不会超过最大许用张力，并且背风缆绳的张力不小于最小许用张力。传统TLP 有一个缺点，它没有系泊系统并且恢复性能较差，使它自身不能垂直漂浮。这种特性就需要在安装平台和拉紧锚链之后，才能把风力发电机安装在漂浮平台上。
为了避免把风力发电机安装在海上，选定漂浮平台的型大小和形状必须在拖曳和安装的时候给结构提供足够的恢复力。结构内部的压载水在这过程中也提供了部分的恢复力。一旦系统到达了其安装地点，就用锚链固定住，并拉伸锚链排放压载水。排放压载水的过程需要结构内部的压载水来提供等量的总张力。
系统的锚链张力一定要满足三个需求: (1)锚链一定要在工作中提供足够的恢复力来限制稳态偏置；(2)迎风锚链的张力必须不能超过最大许用张力，背风锚链的张力必须时刻不能低于最小许用张力； (3)在安装过程中，锚链产生的总力必须和稳定系统的压载水的重量相匹配。
操作方案详见图4：
图4 TLP 操作方案
在稳态情况下，平台会在运动中达到稳态排水量。在这排水量之下，锚链会在垂直方向形成一个夹角，用θ表示，见图4。锚链一定要有足够的张力提供恢复力把角度限制在5度，防止系统承受过高的非线性恢复力和排水量。
在喘振中由锚链引起的恢复力与锚链张力和长度相关，见如下等式:
Tethers
Tethers L F C =11 恢复力通过如下等式造成了稳态排水量:
11
1111C F C F Thrust ==ξ 限制系统的稳态恢复力来达到。
这个张力必须也要满足第二个需求：线张力。在操作情况下，通过解决力与力矩的平衡来。如图4所示，通过4来给锚链标记数字1 静态时导缆孔和锚链1的锚与X 轴的正向，锚链2，Y 轴的正向，锚链3，X 轴的负向，锚链4，与Y 轴的负向对齐。假设风一直沿着X 的方向传播，锚链3一直是逆风锚，锚链1一直是顺风锚。
力在垂直方向上的平衡需要浮力加上机构产生的额外浮力。系统重量必须等于锚张力向下部分的力。下面的等式表达了力的平衡，θ代表了锚链在垂直方向上形成的角度。
∑=--+Ti Tether Tether B F g M L L R g F θθπρcos )cos (112
使用小角度近似法cos θ约等于1，sin θ约等于θ，这个等式化简见下等式：
∑=-Ti B F g M F 11
4个锚链每隔90度环绕安置在结构周围，把总张力分成4份得到平均锚张力。 因为锚链2和锚链4不受作用在结构上惯性矩作用的影响， 假定他们的张力等于平均张力。
θ
θπρcos 4)cos (11242g M L L R g F F F F Tether Tether B Tave T T --+=== 再一次调用小角度近似法：
4
1142g M F F F F b Tave T T -=== 关联的锚链是锚链1和锚链3，它们各自都有崩溃或超过最大许用张力的危险。为了平衡作用在系统上的惯性力矩，锚链3的张力等于F T ，ave 加上一个额外的张
力ΔF 。为了维持垂直方向上的受力平衡，锚链1等于F T ，ave 减去ΔF 。下面给出
的方程表示惯性力矩的平衡。
θθθθcos )(cos )(cos cos 135R F F R F F R F R F F Tave Tave T T ?--?+=-=
调用小角度近似法，方程可以化简为下面等式：
R F F R F F R F R F F Tave Tave T T )()(135?--?+=-=
最初选定的线张力必须要防止每个锚链的张力值趋于零或是超过最大许用张力。
最终需要锚链的张力必须等于在拖曳和安装时用于压载稳定系统的水的重量。
在操作过程中锚链拖曳产生的推力是最小的时候，希望系统能承受最大的力为250000N 。在拖曳和安装的时候，不会去使用锚链，因此在操作过程中，作用在结构上的风力一定要小于任何的风力载荷。因此，最小推力作为风力载荷的上界。
在拖曳和安装过程中，需要系统有足够的静水力和惯性恢复力来把稳态纵摇限制为10度。选定的界限必须保证系统在安装过程中一直保持垂直状态， 并且允许安装人员可以再稳性要求范围内拖动系统。为了执行这个要求，下列等式可以得到在拖曳过程中所需的最小静水力和惯性系数：
][103.185
5min 1&55m N F C H -?==ξ
通过调整圆柱高度和半径和水泥压载的水平得到这个恢复力。以上列出的都要达到TLP的大小、形状和锚链张力的要求。
10.成本分析
基于麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB和TLP做出一项成本分析，来推断漂浮结构，系泊系统，及每次设计所关联的安装过程的总成本。这里的成本预测不包括风力发电，电子电力设备，或是运输系统。做了几个关于施工和安装过程，劳动力、物资和设备的成本的假设。
这些假设源于水产业中生产商、咨询商、承包商提供的信息。漂浮风力发电系统用来部署在风力农场中，由众多的个体单元构成。因为麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB和TLP可能用已经安装好的风力发电机部署完毕，所以每个单元会由船坞中的组装流水线生产完成并且拖到安装地点进行调试。平台首先会在船坞中装配。然后用船坞中的起重机把风力发电机安装在平台上。
13.参考文献
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风力发电机的设计及风力发电系统的研究毕业设计论文
毕 业 论 文 题 目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究 一、基本任务及要求： 1）基本数据：额定功率 600=N P KW 连接方式 Y 额定电压 V U N 690= 额定转速 min /1512r n N = 相数 m=3 功率因数 88.00=?s c 效率 96.0=η 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容： （1） 风力发电机的电磁设计方案； （2） 风力发电系统的研究； （3） 电机主要零部件图的绘制； （4） 说明书。 进度安排及完成时间： 2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目录 摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (10) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (10) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (10) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (20) 第3章风力发电机的设计 (27) 3.1 概述[11] (27) 3.2 风力发电机 (28) 3.2.1 风力发电机的结构 (28) 3.2.2 风力发电机的原理 (29) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (29) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (30) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (30) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (31) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (32)
风力发电系统建模与仿真
风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量； /m ρ——空气密度(3 kg)； /m
双馈式风力发电机剖析
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
工业电力系统动态建模和仿真分析
工业电力系统动态建模和仿真分析 (Industrial power system dynamic modeling and simulation analysis) 一、概述 工业电力系统： 大型电力系统复杂性：本身有发电机、电动机 中型工业电力系统：即使无发电机，也包括大量中压电动机 意义、内容： 1、确定通过动态建模与仿真分析验证： 1、机组的暂态稳定（极限切除时间） 2、特定的大容量电动机的电压稳定 3、校验电流电压型保护的定植 4、确定低频减载与孤网运行 二、介绍原件与组成： （一）、同步电机实用模型： 1、意义：对于dq0坐标下同步电机方程，如果单独考虑与定子d绕组、q绕组相独立的零轴绕组，则在计及d,q,f,D,Q5个绕组的电磁过渡过程（以绕组磁链或电流为状态量）以及转子机械过渡过程（以ω及δ为状态量）时，电机为七阶模型。对于一个含有上百台发电机的多机电力系统，若再加上其励磁系统、调速器和原动机的动态方程，则将会出现“维数灾”给分析计算带来极大的困难。因此在实际工程问题中，常对同步电机的数学模型作不同程度的简化，以便在不同的场合下使用。 2、对派克方程中的转子变量 若,则 可用定子侧等效量取代原来的转子量，得到用这些实用等效量表示的同步电机实用方程。原派克方程中的定子量，保留易测量及计算的和及和，而消去和两个变量。 3、三阶实用模型 其简单而又能计算励磁系统动态，因而广泛的应用于精度要求不十分高，但仍需计及励磁系统动态的电力系统动态分析中，较适用于凸极机。 模型导出基于： （1）、忽略定子d绕组、q绕组的暂态，即定子电压方程中取P=P=0 （2）、在定子电压方程中，设ω≈（p.u.）在速度变化不大的过渡过程中，其引起的误差很小。 （3）、忽略D绕组、Q绕组，其作用可在转子运动方程补入阻尼项来近似考虑。 及以下三个定子侧等效实用变量： 为消除转子励磁绕组的变量 、 定子励磁电动势 电机(q轴)空载电动势 电机瞬变电动势 （二）、励磁系统数学模型： 描述同步发电机励磁系统(包括励磁调节器)物理过程的数学方程。是电力系统机电暂态过程数学模型的重要组成部分，主要应用于电力系统稳定计算。
风力发电并网方式的
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第7期0引言 当今石化能源的日益匮乏，社会的发展对能源的需求不断增加。 风能作为一种清洁可再生能源越来越受到世界各国的重视。近年来风 力发电在国内外都得到了突飞猛进的发展。但由于风能的随机性和不 稳定性，在其发展的过程中也出现很多问题，其中风力发电并网难最 为突出。风电并网技术成为风力发电领域研究的重难点问题。如何将 并网瞬时冲击电流降低到最小规范值，进一步保证并网后系统电压稳 定是当今研究的重点方向。本文对并网技术问题进行相关研究，提出 并网运行方式并进行分析比较。1风力发电并网运行的分析随着风力发电的快速发展，风电场的并网已成为必然的途径。从风电问世以来，风力发电经历了独立运行方式、恒速恒频运行方式、变速恒频运行方式。当今变速恒频发电系统已成为主流，但风力发电并 网仍是热点的研究话题。 不管是哪一种发电类型，并网总是以保证电力系统稳定性为基本 原则。风力发电相比于火力发电和水力发电，由于其不稳定性需要更 精确的并网控制技术。并网运行时，需满足：（1）电压幅值与电网侧电 压幅值相等；（2）频率与电网侧频率相同；（3）电压相角差为零；(4)电压 波形及相位与电网侧的电压波形及相位保持一致。这样保证了并网时 冲击电流理想值为零。否则，若并网产生很大的瞬时冲击电流，不仅损 坏电力设备，更严重的是使电力系统发生震荡，威胁到电力系统稳定 性。 从大的方向看，风力发电系统并网分为恒速恒频风力发电机并网 和变速恒频风力发电机并网。恒速恒频并网运行方式为风力发电机的 转子转速不受风速的影响，始终保持与电网频率相同的转速运行。虽 然其结构简单、运行可靠，但是对风能的利用率不高，机械硬度高，而 且发电机输出的频率完全取决与转速，如控制不好，并网时会发生震 荡、失步，产生很大的冲击电流。所以恒速恒频系统已逐渐退出人们的 视线。随着电力电子技术的日益成熟，以变速恒频并网运行方式取而 代之。变速恒频风力发电并网系统是发电机转速随着风速的变化而变 化，系统通过电力电子变化装置，使机组输出的电能频率控制在与电 网频率一致。变速恒频并网方式减少了机组的机械应力，充分的利用 风能源，使发电效率大大提高；并网时通过精确合理地控制电力电子 变换器，使得并网更加稳定，降低系统因冲击电流过大使电网电压降 低从而破坏电力系统稳定性。2变速恒频双馈发电机并网 目前，并网型的变速恒频风力发电机组主要采用双馈发电机和永 磁同步发电机。 变速恒频双馈发电机的并网原理图如图1所示。 双馈发电机并网的工作原理为当风速变化时，发电机的转子励磁回路由双PWM 变频器控制转子励磁电流的频率，转子转速与励磁电流频率合成定子电流频率。调节励磁电流频率，使定子电流频率始终与电网频率保持一致。电机转动频率、定、转子绕组电流频率的关系式为：f 1=pn 60±f 2式中：f 1为定子电流频率，f 2为转子电流频率，n 为转子转速。双馈发电机既可以同步运行也可以异步运行，通过精确地控制双PWM 变频器，可以实行“柔性并网”，大大提高并网的成功率。一般双馈发电机 并网的结构相对复杂，大多采用多级齿轮箱双馈异步风力发电机组。 当自然风速使得风力发电机转子转速频率与电网频率相同时，风力发 电机同步运行；当风力发电机的转速小于或者大于电网频率时，风力 发电机异步运行，通过双向变频器实现发电机组转子与电网的功率交 换，保证输出频率与电网侧保持一致。在异步运行程中，不仅有励磁损 耗，而且还要从电网吸收无功功率，所以需在并网侧安装无功补偿器。图1变速恒频双馈发电机的并网原理图3直驱式永磁同步发电机并网变速恒频永磁同步发电机并网原理图如图2所示。图2变速恒频永磁同步发电机并网原理图 直驱式永磁同步发电机并网的原理为当风速改变时，发电机输出不同频率的交流电，经过不可控整流电路将交流电变成直流电，再经过DC/DC 直流斩波让直流电压幅值保持压稳定。以逆变器为核心，采用IGBT 作为开关器件构成全桥逆变电路，将整流器输出的直流电逆变成与电网侧电压相角、幅值、相位、频率相同的交流电。逆变有时会产生一定的电压谐波污染和冲击电流，这时必须有效（下转第92页）风力发电并网方式的研究 张伟亮潘敏君韦大耸陈富玲 （贺州学院机械与电子工程学院，广西贺州542800） 【摘要】通过分析风力发电系统并网方式的原理，针对风力发电并网难的问题，提出利用直驱式永磁同步发电机实现风力发电并网。直驱式永磁同步发电机并网比传统的恒速恒频并网方式更加稳定。 【关键词】风力发电；并网运行；恒速恒频；变速恒频 Study on wind Power Grid-connected Mode ZHANG Wei-liang PAN Min-jun WEI Da-song CHEN Fu-ling （School of Mechanical and Electronics Engineering,Hezhou Univ.Hezhou Guangxi,542800,China ） 【Abstract 】By analyzing the theory of grid-connected wind farms,the paper presents using direct-driven permannet magnet synchronous generator to achieve grid-connerted wind power according to the problem in wind power grid-connected difficult.Direct drive permanent magnet synchronous generator than traditional way of constant speed constant frequency grid interconnection is more stable. 【Key words 】Wind power generation ；Parallel operation ；Constant speed constant frequency ；Variable speed constant frequency ※项目基金：此文为贺州学院大学生创新项目研究成果，项目编号2013DXSCX08。 作者简介：张伟亮（1982—），男，硕士，讲师，从事电气工程及其自动化的教学及高压设备的生产研发。 潘敏君，男，贺州学院电气工程及其自动化专业在读学生 。 ○本刊重稿○4
变速恒频双馈风力发电机的主要优点和基本原理
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
小型风力发电机动力结构设计毕业设计论文
第一章概述 1.1课题研究的目的和意义 数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。 表1-1 1996-2005年世界风电市场增长 从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。
电力系统建模及仿真课程设计
某某大学 《电力系统建模及仿真课程设计》总结报告 题目：基于MATLAB的电力系统短路故障仿真于分析 姓名 学号 院系 班级 指导教师
摘要：本次课程设计是结合《电力系统分析》的理论教学进行的一个实践课程。 电力系统短路故障，故障电流中必定有零序分量存在，零序分量可以用来判断故障的类型，故障的地点等，零序分量作为电力系统继电保护的一个重要分析量。运用Matlab电力系统仿真程序SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，并在此基础上对电力系统多中故障进行仿真，仿真波形与理论分析结果相符，说明用Matlab对电力系统故障分析的有效性。实际中无法对故障进行实验，所以进行仿真实验可达到效果。 关键词：电力系统；仿真；短路故障；Matlab；SimPowerSystems Abstract: The course design is a combination of power system analysis of the theoretical teaching, practical courses. Power system short-circuit fault, the fault current must be zero sequence component exists, and zero-sequence component can be used to determine the fault type, fault location, the zero-sequence component as a critical analysis of power system protection. SimPowerSystems Toolbox building design requirements to the power system model using Matlab power system simulation program, and on this basis, the power system fault simulation, the simulation waveforms with the theoretical analysis results match, indicating that the power system fault analysis using Matlab effectiveness. Practice can not fault the experiment, the simulation can achieve the desired effect. Keywords: power system; simulation; failure; Matlab; SimPowerSystems - 1 - 目录 一、引言 ............................................ - 3 -
双馈异步风力发电机(讲)
1.引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包 括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW 的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPMF运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MV Y 1.5MV y 2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能, 发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱
变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PW M控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW 发电机的定子发电量大概1200KV，转子大约300KV，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3.双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30?55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于 2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4?5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑??大家看到发电机的轴承就知道了。 电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频 器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外 定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑， 转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴 电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子 绕组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于 30%，以缩小变频器的功率。
PSCAD的电力系统仿真大作业3
仿真计算 1、在PSCAD中建立典型的同步发电机模型，对同步发电机出口三相短路进行仿真研究。要求： （1）运行“同步发电机短路”模型，截取定子三相短路电流波形，并对波形进行分析，验证与理论分析中包含的各种分量是否一致； 图一同步发电机短路模型
图二、定子三相短路电流 定子三相短路电流中含有直流分量和交流分量，其中周期分量会衰减。三相短路电流直流分量大小不等，但衰减规律相同，均按指数规律衰减，衰减时间常数为Ta，由定子回路电阻和等值电感决定，大约在0.2s。交流分量也按指数规律衰减，它包括两个衰减时间常数，分为次暂态过程、暂态过程和稳态过程。 （2）修改电抗参数Xd（Xd’，X’’d），增加或者减小，截取定子三相电流，并与第一步结果对比分析； 图一是Xd`=0.314 p.u，Xd``=0.280 p.u情况下的定子电流波形；图二是Xd`=0.514 p.u, Xd``=0.280 p.u情况下的定子电流波形。显然，随着Xd`的增大定子的电流在减少。
图三、定子三相短路电流 （3）修改时间常数Td（Td’，T’’d），增加或者减小，截取定子三相电流，并与第一步结果对比分析。 参数Td’=6.55s ，Td”=0.039s时定子电流如图一所示；当参数变为Td’=3.55s ，Td”=0.039s是定子电流如图三所示，显然
图四、定子三相短路电流 2、利用暂态仿真软件对下面的简单电网进行建模，对模型中各元件参数进行详细说明，并进行短路计算。将故障点的电流电压波形及线路M端的电流电压波形、相量图粘贴到课程报告上。 要求：
（1）短路类型为①三相故障；②A相接地；③BC两相故障。 （2）两端系统电势夹角取15o δ=。 （3）故障点设置为线路MN中点（25km处）。 （4）仿真结果包括M、N两侧和短路点处的三相电压、电流的瞬时值波形和短路发生后时刻的三相电压、电流相量图。 三、课程学习心得 通过本课程的学习，你有哪些体会和心得，请写出来。可以从以下几个方面考虑，但不局限于这些方面：通过课程你学到了哪些知识；学会了哪些方法；对电力系统的认识；对课程的建议等。 课程的开始复习了一下简单的电力系统稳态分析部分，然后就进行了课程的重点就是电力系统的暂态分析，其中包括PARK变换、标么值下的磁链方程和电压方程、同步发电机各种电势的表达式、发电机阻抗的概述、（次）暂态电抗和（次）暂态电势、发电机三相短路电流、对称分量法、叠加定理、电力系统简单故障分析。学习了几种电力系统分析中的方法，例如分析同步发电机短路时PARK变换将静止三相坐标系的量转化为旋转坐标系dq0的量，还有分析不对称故障时对称分量法转化到相对简单的对称故障分析中。
双馈风力发电机并网控制
双馈风力发电机并网控制 摘要：风力是重要的清洁能源，风力所具备的可再生性以及无污染性使得其受到广泛关注和应用，风力发电也是目前我国重点要求的电力能源技术。而并网控制是将风力发电机稳定地接入到电网系统中的技术。本文主要研究双馈风力发电机并网控制的方法，以及在实际应用中的难点，以及并网控制过程中存在的其他影响控制，并相应地提出优化建议。 关键词：双馈风力发电机；并网控制；方法；难点 一、双馈风力发电机概述 当前风力发电机大体可以分为同步电机好异步电机两类，实际应用中可以细分为鼠笼异步发电机、双馈发电机、同步发电机以及永磁同步发电机。双馈风力发电机是一种绕线式感应发电机，属于异步发电机。由于双馈异步电动机的定子绕组直接同电网相连接，转子绕组通过变流器和电网连接，并由变频器实现对饶子绕组电源电压、相位以及频率和幅值的自动调控，因而在运行中，机组可以在不同的转速下维持恒频发电。然而，虽然双馈发电机具备机械承受应力小、运行噪音小、变频器容量小以及启动效率高的特点，但双馈发电机的电气损耗较大，还需配备齿轮箱，造价较为昂贵。不过相比同步风力发电机，双馈风力发电机能够更好的实现电能稳定输出，实用性较强。 二、双馈发电机的并网控制方法 双馈发电机的并网控制方法和异步发电机相似，主要原理是通过滑差率来调节负荷，发电机的转速和输出功率近似成线性关系，所以只要保持发电机的转速和同步转速相接近就能实现并网。目前，常用的并网方法主要有四种，直接并网控制法、准同期并网法、降压并网控制法以及电子元件软并网控制法。 2.1 直接并网控制法 直接并网控制法是指将风力发电机的输出交流电直接并入到风力电网中，在电机转速和同步转速接近时，由测速系统给出并网信号，再通过自动空气开关实现并网，主要适用于风力发电机和电网相序相同的情况，即电网电容量足够大的同时，风力发电机的容量保持在百千瓦以下。 优点：直接并网控制方法能够保证风力速率变动情况下风力发电机也可以维持横频输出，同时能够单独地对有功功率和无功功率进行解耦控制，便于对风力电动机运行中负载消耗的无功功率进行补偿，稳定其他机组的无功负荷，确保风力发电系统电压的稳定。 缺点：直接并网控制方法要求双馈发电机的相序和发电电网的相序必须保持一致，这就对风力发电机的规格提出了严格的要求。 2.2 准同期并网控制法 异步发电机下的准同期并网控制方法和同步发电机下的准同步并网控制方法基本相同，都是在发电机转速接近同步转速的时候，利用电容励磁先来确定一个稳定的电压，再根据系统电压、频率、相位等来调节发电机的电压和频率，确保二者同步。当二者同步后，就可以将风力发电机接入电网。 优点：准同期并网控制方法对风力系统的电压没有太大的影响，不会出现电压下降的问题，常用于发电机容量和电网容量相似或相差不多的机组。 缺点：按照传统的整步方式，想要实现从整步到准同步的转变，不但需要高精度的整步设备、同期设备以及调速设备，还需要耗费较长的时间，加大了机组构造成本。而且，准同期并网控制方法也需要对电流进行精准控制，确保合闸瞬
小型家用风力发电机毕业设计
小型家用风力发电机毕 业设计 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。 本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC—DC—AC 变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行了系统仿真。 关键词：风力发电机组；整流——逆变；继电控制 目录
引言 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的
第一章绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。 风力发电概述 1.1.1风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，2020年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，占当时世界总电消费量×104亿kWh的%。 世界风电发展有如下特点：
风力发电系统建模与仿真
风力发电系统建模与仿真
风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基 础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及 完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力 /m 的最方便最有价值的量；
基于MATLABsimulink的船舶电力系统建模与故障仿真【开题报告】
开题报告 电气工程及其自动化 基于MATLAB/simulink的船舶电力系统建模与故障仿真 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1、本课题国内外研究动态 船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，主要由电源设备、配电系统和负载组成。船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力。它是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。最近几年，船舶电站采用电子技术、计算机控制技术，实现船舶电站自动化和船舶电站的全自动控制，实现无人值班机舱。船舶自动化技术正朝着微机监控、全面电气、综合自动化方向发展。船舶电站运行的可靠性、经济性及其自动化程度对保证船舶的安全运营具有极其重要的意义。 国外的某些造船业发达的国家在二十世纪中叶就着手船舶电力系统领域的探索，在船舶电力系统稳态、暂态过程等方面进行了细致的研究。近些年来，挪威挪控公司困.R.co咖l)、英国船商公司(TRANSS)、德国西门子公司(SIEMENS)、-日本三菱公司(MITSUBISHD等大公司开始进行船舶电力系统的建模与分析方面的研究工作。国内针对船舶电力系统的研究起步相对较晚，虽然取得了一定成果，但在理论先进性、系统完整性等方面还存在一定差距，这也在一定程度上导致了目前国产船电设备与世界主要造船国家船电设备存在一定差距、装船率偏低等一系列问题。 目前,国内外最常用的建模软件有四中：分别是：matlab、lingo、Mathematica 和SAS。MATLAB用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Matlab开发效率高，自带很多数学计算函数，对矩阵支持好。Lingo可以用于求解非线性规划，也可以用于一些线性和非线性方程组的求解等，功能十分强大，是求解优化模型的最佳选择。Mathematica是一款科学计算软件，很好地结合了数值和符号计算引擎、图形系统、编程语言、文本系统、和与其他应用程序的高级连接。SAS 是一个模块化、集成
双馈异步风力发电机(西莫讲堂)
主讲人：aser 关键词：双馈异步风力发电机 协助讨论： Edwin_Sun lidb856 pat baizengchen g zslzsl xfq7111 wayne 会议摘要： 1. 引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW的永磁直驱发电机机舱
会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPM下运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MW，1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技 术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能，发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速
到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也 能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW发电机的定子发电量大概1200KW，转子大约300KW，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3. 双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，
小型风力发电机毕业设计论文
小型风力发电机毕业设计 摘要 基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。 关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机
Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator