结论 28

致谢 29

参考文献 30

1  引言

1. 1  研究背景

资源短缺，环境污染是当今人类所面临的两大重要问题，现有的资源已经远远满足不了人类日益增长的物质文化需求，人类正面临着越来越大的压力。一方面，地球上化石燃料的储量越来越少，消耗的速率也越来越快；另一方面，化石燃料虽然促进了经济的发展，但同时也破坏了环境，对大自然带来了负面的影响。如何在不牺牲环境为代价的前提下满足人类日益增长的能源需求，成为了人类亟待解决的重大问题。为了减轻对化石燃料的依赖程度，人类正在努力寻找清洁高效的可再生能源。可再生能源包括潮汐能、海洋温差能、太阳能、风能、水能等，合理开发利用可再生能源有利于促进可持续发展，是大多数国家21世纪能源发展战略的重要选择。

风能是一种清洁、无污染的绿色能源，本质上它是太阳能的一种转化，相对煤、石油、天然气等传统化石能源，它是可再生的自然能源。同时，风能在利用过程中不会排放污染气体，不会带来温室效应、酸雨等现象，在能源愈发紧张、环境日益恶化的今天，风能的合理开发利用具有重要的意义。风能的储存量巨大，全球的风能约为1300亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，但是实际可开发利用的风能仅占总储量的1%，其中风力发电是风能最重要的利用形式[1]。与其他能源形式相比，风力发电具有很多优点：绿色、清洁、无污染；可再生；发电成本为零，运营成本很低；相对火电厂占地面积少，开发了旅游资源；建设周期短，管理工作单一，维护工作量小[2]。但风能也有不足之处，风力发电比水力发电困难得多，这是由于风能具有以下特点：能量密度小、风速大小不稳定、不能储存、效率较低。正是由于风能利用上的困难，才使得风力发电技术发展缓慢。

近年来由于新材料技术、电力电子技术等的飞速发展，为风能的开发利用创造了有利条件，使其得到了很大的发展。截止到2007年底，全球风电装机总容量已超94000MW，当年新增装机容量20076MW，累计装机容量从2006年的74141MW增至94123MW，是1997年的12倍[3]。2008年全球范围内新增风电装机容量2705万kW，使得全球风电装机总容量达到1.20亿kW，较2007年增长28.8％。截至2008年底，我国总装机容量达到1215.3万kW，同比增长106％，总装机容量超过了印度，位列全球第4，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。但相对于德国、丹麦等一些风力发电水平先进的国家，我国风力发展比较缓慢，现有的风力发电技术还不够成熟，还不能作为产业来发展。

根据发电机的运行特点和控制技术，目前世界上主流的风力发电技术主要分为变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）和恒速恒频技术（Constant Speed Constant Frequency，CSCF）。采用变速恒频发电方式可实现最大风能捕获，风能利用率高，是风力发电技术的发展趋势[4]。VSCF系统通常采用的发电机有交直交笼型异步发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、直驱式永磁发电机系统等[5]。

直驱式风力发电系统一般采用永磁同步发机，转子由永磁体材料制成，这样就不需要提供励磁电源，滑环也无需使用。直驱风力发电系统是在定子回路实现变速恒频控制的，系统共有两个变流器：电机侧整流器和电网侧逆变器。发电机发出的交流电经电机侧变流器整流为直流形式，得到的直流电压经网侧变流器逆变为与电网同频率的交流电，风轮机所吸收的风能经变流系统整流和逆变馈送至电网，实现了全功率交换。采用永磁同步发电机的另外一个原因是，它能直接耦合风力机与发电机，从而省去了齿轮箱，机械故障因此减少，系统的运行噪声也大大减小，可靠性大大增强，相应的系统成本也降低了。随着现代开关器件和微电子控制技术的发展，直驱式风力发电将具有更广阔的应用前景。本文的研究对象就是永磁同步发电机。