21

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。

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