（电气工程专业论文）永磁直驱风力发电机的优化设计与系统性能评估.pdf

【一 冉 o p t i m a ld e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v ew i n dg e n e r a t o r a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h es y s t e r m b y l ir o n g y a o b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h o u d a o a p r i l ，2 0 1 1 咖9川7，川川川i609iiiiy 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：李铭光程日期：沙l f 年9 i 阳宇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：李镌光翟 翩撇：德 z 加& 日期：o i 年月箩日 日期：弘f 1 年中具| 厂b 硕1 ：学位论文 摘要 上个世纪末2 1 世纪初以来，人们越来越关注可再生新能源利用的研究和发 展。风能是目前地球上开发难度最低的无污染的可再生能源，风力发电也是目前 可再生能源发电中技术最成熟，市场规模最大，发电成本较低的方式。大力发展风 力发电能有效缓解能源危机，保护地球环境及增加就业岗位，正因为风力发电有 着诸多优点，世界各国政府都对风电的发展给予了极高的重视。永磁直驱同步风 力发电系统采用风力机与发电机直接耦合的方式，省去了价格高昂，技术复杂， 可靠性低的增速齿轮箱，具有成本较低，可靠性高，使用寿命长等特点，是未来 风电技术的发展方向之一。 论文首先较为全面地介绍了风力发电技术的应用现状，今后风电技术的发展 方向以及风力发电系统的主流机型。其次分析了永磁直驱风力发电系统的数学模 型，包括风力机的模型，永磁直驱同步发电机的模型及永磁直驱风力发电系统变 流器的模型，为后文的优化设计及性能评估打下理论基础。再次，论文介绍了遗 传算法的基本原理，并针对遗传算法和永磁直驱同步风力发电系统的特点，建立 了永磁直驱同步风力发电机优化数学模型。最后介绍了永磁直驱同步风力发电机 的基本设计理论并以此为依据进行了样机的初始设计，再使用遗传算法对初始样 机进行了优化设计，优化前后的数据对比表明优化设计取得了显著的效果，遗传 算法是一种求解电机优化设计问题最优解的有效方法。在优化设计后的数据基础 上对比了功率等级分别为1 m w ，2m w ，3m w ，5m w 及1 0m w 永磁直驱同步 风力发电系统的一些性能差别，包括系统成本、重量、体积、年发电量、单位成 本年发电量及不同额定风速下的各项性能等。通过分析得出了_ 些结论，可以作 为永磁直驱风力发电系统的设计参考，也为日后建设风电场时风力机的选择提供 了一些理论参考。 关键词：永磁直驱风力发电系统；遗传算法；优化设计；性能对比；成本 a b s t r a c t t o w a r d st h ee n do f2 0 t ha n db e g i n n i n go f t h e21s tc e n t u r i e s ，i n t e r e s th a sr i s e ni n t h es e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fu s i n g r e n e w a b l ea l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s w i n d e n e r g yr e s o u r c ei sc l e a nr e n a w a b l ee n e r g yw h i c h c a nb ed e v e l o p e dm o s te a s i l yi nt h e w o r l d w i n dp o w e ri so n eo ft e c h n o l o g yo f r e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o n w h i c hh a st h e m o s tm a t u r et e c h n o l o g y ，l a r g e s tm a r k e ta n dl o wg e n e r a t i o nc o s t i t c a nr e l i e v et h e e n e r g yc r i s i se f f e c t u v e l y ，p r o t e c t t h eg l o b a le n v i r o m e n ta n di n c r e a s ee m p l o y m e n t o p p o r t u n i t i e st od e v e l o pw i n dp o w e r b e c a u s eo f t h e s ea d v a n t a g e s ，m a n yc o u n t r i e so f t h ew o r l dh a v eb e e nf u l l ya w a r eo ft h et h ei m p o r t a n c eo fw i n de n e r g y t h ew i n d t u r b i n ea n dg e n e t a t o ro ft h ep e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v es y n c h r o n o u sw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e r mi sc o u p l e dd i r e c t l yw i t h o u tg e a r b o xw h i c hi se x p e n s i v e ，c o m p l e x a n dp o o rr e l i a b i l i t y t h ep e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v es y n c h r o n o u s w i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e r mh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s u c ha sl o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y ，l o n g s e r v i c el i f ea n ds oo n ，i tw i l l b eo n eo ft h ed e v e l o pd i r e c t i o no fw i n dp o w e r t e c h n o l o g y f i r s t l y ac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o n t ot h ea p p l i c a t i o no fw i n dp o w e rt e c h n o l o g y ， t h ef u t u r ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to f w i n dp o w e rt e c h n o l o g ya n dm a i n s t r e a mm o d e l s o fw i n dp o w e rs y s t e r mw a sg i v e d s e c o n d l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n t m a g n e td i r e c td r i v ew i n dp o w e rs y s t e mi n c l u d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw i n d t u r b i n e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n v e r t e rw a sa n a l y z e d ，w h i c hl a i e dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n do p t i m a ld e s i g nl a t e r t h i r d l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo f g e n e t i ca l g o r i t h m sw a si n t r o d u c e da n dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e t d i r e c td r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t o rw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f g e n e t i ca l g o r i t h m sa n dp e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v ew i n dp o w e rs y s t e r m f i n a l l y ，t h e b a s i cd e s i g nt h e o r yo fp e r m a n e n tm a g n e td i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t o rw a s i n t r o d u c e da n dt h ei n i t i a ld e s i g no fp r o t o t y p ew a sd o n eb a s e d o nt h et h e o r y a f t e r t h a t , o p t i m a ld e s i g no ft h ei n i t i a lp r o t o t y p ew a sd o n eu s i n gt h eg e n e t i c a l g o r i t h m s i t s h o w e dt h a tt h eo p t i m u md e s i g na c h i e c e ds i g n i f i c a n tr e s u l t sa n dg e n e t i ca l g o r i t h mi s a ne f f e c t i v em e t h o di nf i n d i n gt h eo p t i m a ls o l u t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fm o t o rd e s i g n b vc o m p a r i n gt h ed a t ab e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n t h ep e r f o r m a n c e si n c l u d i n g c o s t , w c i g h t ，v o l u m e ，a e o ，a e o pa n dt h ep e r f o r m a n c ea t d i f f e r e n tr a t e dw i n ds p e e d a n ds oo no fp e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v ew i n dp o w e rs y s t e r mw i t h5p o w e rl e v e l s i i i 硕：l = 学位论文 f r o m1m wt o10 m ww e r ec o m p a r e d s o m ec o n c l u s i o n sw e r ed o n eb ya n a l y z i n g ，w h i c h 。c a nb eu s e da sar e f e r e n c ed u r i n gt h ed e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v ew i n d p o w e rs y s t e r ma n dc a np r o c i d es o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c et ot h ec h o i c eo fw i n d t u r b i n ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fw i n df a r m si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v ew i n dp o w e rs y s t e r m ；g e n e t i c a l g o r i t h m s ；o p t i m a ld e s i g n ；p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ；c o s t i v 永磁直驱风力发电系统的优化设计与性能评估 目录 学位论文原创性声明。i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外风电发展现状及发展趋势l 1 2 1 国内外风电发展现状1 1 2 2 风电技术的发展趋势4 1 3 风力发电系统的主流机型。4 1 3 1 恒速恒频异步风力发电系统5 1 3 2 变速恒频笼型异步风力发电系统5 1 3 3 变速恒频双馈风力发电系统6 1 3 4 变速恒频直驱风力发电系统7 1 4 本文的主要研究内容7 第2 章永磁直驱风力发电系统的模型9 2 1 风力机的建模与分析9 2 1 1 风能计算理论9 2 2 2 风力机的运行特性9 2 2 永磁直驱同步发电机的建模与分析1 2 2 2 1 永磁同步发电机转子磁路结构1 2 2 2 2 永磁直驱同步发电机建模1 4 2 3 变流器的建模与分析1 6 2 3 1 永磁直驱风力发电系统常用的变流器类型1 6 2 3 2 变流器建模1 8 2 4 本章小结：1 9 第3 章优化设计算法2 l 3 1 遗传算法的特点2 1 3 2 遗传算法的原理2 2 3 3 永磁直驱风力发电系统的优化模型2 7 3 3 1 优化目标函数的选择2 7 3 3 2 优化设计变量的选取2 8 v 硕十学位论文 3 3 3 假设及约束条件2 9 3 3 4 遗传算法优化设计模型3 0 3 4 本章小结3 1 第4 章优化设计实例与性能评估3 3 4 1 样机初始设计3 3 4 2 优化设计3 6 4 3 永磁直驱风电系统性能评估3 7 4 3 1 系统成本、材料重量及体积比较3 7 4 3 2 年发电量( a e o ) 及单位成本年发电量( a e o p ) 比较4 2 4 3 3 不同额定风速下的性能对比4 6 4 4 本章小结5 0 结论与展望5 2 参考文献5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 8 致谢5 9 v i 硕七学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着社会经济的迅速发展及人口的快速增加，人类的能源需求越来越大，而 地球上的常规能源总量是相当有限的。当今世界消耗的能源主要来自石油、煤、 天然气和核能等，而煤、石油、天然气等属于不可再生能源，终究有一天会被用 完。据专家预测，世界上的煤炭还可开采2 2 1 年，石油3 9 年，天然气也只能用6 0 年，而同时这些化石燃料燃烧的过程会产生大量的s 0 2 、c 0 2 等有害气体及烟尘， s 0 2 形成酸雨，对农作物、森林、建筑物及金属材料构成危害和腐蚀。c 0 2 形成温 室效应，改变局部气候，造成各种自然灾害。气候的恶化已经引起了世界各国的 关注，联合国环境保护部门一直要求世界各国尤其是工业强国每年制定计划，逐 渐降低c 0 2 等温室气体的排放量，这是关系到全人类可持续发展的重大问题。在这 种背景之下，包括水能、生物质能、太阳能、风能、地热能和海洋能等可再生新 能源的研究、开发和利用越来越得到人们的关注，因为它们用之不尽，取之不竭， 且利用不产生污染物，可实现可持续发展。可再生能源中风能是目前来说开发潜 力最大的，据估计到达地球的太阳能中虽然只有约2 转化为风能，但其总量仍是 十分可观的。全球的风能约为2 7 4 x 1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 10 7 m w ，比 可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。目前，风能主要的利用手段是风力发电。据 欧盟的统计数据，未来风力发电机产生的电力能满足全欧洲3 0 以上的用电需求， 有此可见，风力发电的开发潜力是巨大的。风力发电蕴藏总量巨大，开发利用难 度低，可循环使用，可建在荒芜地区及海上，不占用宝贵的土地资源，且随着技 术的不断进步及产业规模的扩大，风力发电的成本一直不断的下降，已具备和传 统能源竞争的能力。同时世界各国政府也制定了各种优惠政策，大力扶持风电产 业的发展，有理由相信未来风电必然成为世界上至关重要的清洁能源【l ，2 】。 1 2 国内外风电发展现状及发展趋势 1 2 1 国内外风电发展现状 世界上首台风力发电机是1 8 9 0 年丹麦研制的，次年丹麦也建立了世界上最早 的风电场，然而，对于当时的人们来说，这完全是一样新生的事物，因此未能引 起人们的足够重视，直到近二三十年风力发电才进入了一个蓬勃发展的阶段。如 今因为发展风力发电能够减小传统火电的比重，少排放温室气体从而遏制全球气 候变暖，减少煤、石油等燃料的进口，增加能源安全，并能创造新的就业机会， 永磁直驱风力发电系统的优化设计1 j t l ：能订估 减小国家储备自然资源的开采，因此吸引着世界各国和地区纷纷制订风电发展目 标。美国计划至1 2 0 3 0 年使风电满足全国电力需求的2 0 ，为了达到这个目标需新 增风电装机容量3 0 5 g w ，为此美国政府制定相关政策大力扶持海上风电场的建 设，预计从2 0 1 8 年至1 j 2 0 3 0 年，每年新增海上风电装机容量1 6 g w ；欧盟计划至u 2 0 2 0 年能源消费量的2 0 要来自可再生能源，届时全国电力消费量的3 4 将来自可再 生能源，而风能所占的比例将达到15 左右；风电兴起于欧洲，但亚洲风电的发 展也同样快速，日本政府制定的新能源发展规划中显示，至1 j 2 0 3 0 年新能源发电将 占全社会用电总量的2 0 ，这将大大缓解日本的能源压力，尤其是进口石油的压 力。自上世纪9 0 年代末以来，风电产业在全球都保持了飞速发展的势头，增长速 度远比传统能源快，据统计，截止2 0 1 0 年底，全球风电总装机容量超过了l 亿k w ， 预计至u 2 0 1 2 年全球风力发电的累计装机容量将达2 4 万兆瓦，年发电5 0 0 0 亿千瓦时， 风电电力约占全球电力供应的3 。根据世界风力协会( w o r l dw i n de n e r g y a s s o c i a t i o n ) 于2 0 1 0 年发布的( 2 0 0 9 世界风力报告( w o r l dw i n de n e r g yr e p o r t 2 0 0 9 ) 及世界各国政府的最新统计数据，截止至2 0 1 0 年年底，全球装机容量前十 名的国家如表1 1 所示。 表1 1 全球风力发电装机容量前十名国家 伴随着风力发电装机容量的快速增长，全球风能产业的规模也快速发展，技 术含量也越来越高。涌现出了一批技术领先的风电企业，目前全球十大风能设备 生产商分别是丹麦维斯塔斯公司、西班牙歌美飒公司、美国通用电气公司、德国 硕士学位论文 e n e r c o n 公司、印度苏司兰公司、西门子公司、德国的n o r d e x 公司、r e p o w e r 公司、 西班牙a c c i o n a 公司及中国的华锐风电公司，这些公司约占领了全球市场9 0 的份 额。而阿尔斯通、阿海珐等国际知名能源设备制造商近来也纷纷宣布要进军风力 发电市场，想在风力发电快速发展的大潮中占据自己的一席之地。据全球风能理 事会统计，目前全球范围内的风力发电市场规模超过3 7 0 亿美元，就业人口约2 3 万【3 ，4 】。 我国幅员广阔，气候跨度大，风力资源丰富，分布面积广，全国有一半以上 的省份适合建立风电场，且我国海岸线长达1 8 0 0 0 公里，领海面积达到3 0 0 多万平 4 5 0 0 0 4 c 1 0 1 0 0 3 5 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 l 口新增装机( 兆瓦) 一累谶机( 岁l i e ) l 图1 1 我国近年来风电装机情况统计 方公里，这其中大部分海域适合建立风电场。上世纪8 0 年代开始，我国开始建设 风电场，目前，经过多年的努力，我国风电的发展取得了举世瞩目的成绩。从2 0 0 5 年开始，中国的风电总装机连续5 年实现翻番，2 0 0 9 年，中国以2 5 8 0 万千瓦的总累 计装机容量超过德国，成为世界第二，2 0 10 年，中国风电延续了其迅猛的发展势 头，总装机比上年增长约7 3 ，累计装机容量达到4 4 7 3 3 兆瓦，首次超过美国，跃 居世界第一，我国近年来的风电装机容量情况如图1 1 所示。我国目前已在2 4 个省 市建设了风电场，河北、内蒙古、甘肃等地规模浩大的国家级风电基地进入快速 成长期，东海大桥海上风力发电场也于2 0 1 0 年在上海正式投入运行，成为除了欧 洲之外最大海上风电场。中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会和绿色和 永磁直驱风力发电系统的优化设计j 悱能评估 平发布的中国风电发展报告2 0 1o 预测：至u 2 0 2 0 年，中国风电累计装机可以达 n 2 3 亿千瓦，相当于1 3 个三峡电站，总发电量可以达至j j 4 6 4 9 亿千瓦时，相当于取 代2 0 0 个火电厂。在风电装机容量快速增长的同时，我国的风电设备制造水平也在 稳步提升，2 0 l o 年有4 家中国企业进入了世界风电装备制造业1 0 强，国产风电设备 正在大量应用于国内风电场并开始出1 2 1 海外【5 6 】。 1 2 2 风电技术的发展趋势 风力发电装机容量不断扩大的同时风电技术的革新也异常迅猛，未来随着现 代电力电子技术的不断进步，全球风力发电技术将朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 风电机组单机容量朝大型化方向发展 风电机组大型化有利于提高风能利用效率和占地使用效率，降低单位功率造 价，正是基于这些优势，单机容量不断提高成为国际风电设备技术的主要趋势之 一。当前，m w 级风电机组己成为国内外风电市场中的主流机型，单机容量达到 6 m w 的风电机组已投入商业运行，而单机容量1 0 m w 及以上的风电机组正在研制 中。 ( 2 ) 永磁直驱式风力发电系统未来将成为主流 随着单机容量的不断增长，3 m w 以上机组的增速齿轮箱技术和结构复杂，成 本高昂，且故障率高，因此大容量的风电机组不适宜采用齿轮箱。直驱式风力发 电技术中发电机省去了齿轮箱，和风力机直接耦合，具有减少了生产和维护成本、 提高了运行可靠性、延长了使用寿命等显著优点，在未来大型陆上及海上风电场 中必将得到广泛应用。 ( 3 ) 海上风力发电技术成为发展方向 由于陆地资源有限，而地球7 0 都是广袤的海洋，且海上风能储藏丰富，风 速较高，没有土地使用成本，发电性价比远比陆地上高，再者海上属于无人区， 可以不考虑噪声等的影响，采用较低的塔架，从而可以降低系统的成本和重量。 目前海上风电技术尚处于萌芽时期，在现有的风电机组中，陆上风力机占大多数， 海上风力机约占1 2 的比率。预计到2 0 2 0 年，海上风电的装机容量将达到 4 0 g w ，潜力巨大，因此世界各国纷纷制定海上风电的发展规划，预计未来海上 风电将成为风力发电的主要装机类型，而海洋型风力发电技术将成为风电技术的 研究热点。 1 3 风力发电系统的主流机型 目前世界上有多种型号的大型风电机组在商业化运行，按技术划带来分风力 发电机组可以分为两大类：恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组。恒 速恒频风力发电一般采用直接并网定转速异步风力发电系统，而变速恒频风力发 机型，也是未来风力发电技术发展的主要方向。 1 3 1 恒速恒频异步风力发电系统 该系统的框图如图1 2 所示。这是早期的风电机组，目前，容量较小的机组还 较多地有采用此种运行方式，这种机组可靠性高，控制简单，大多采用制造工艺 简单、并网容易的笼型异步发电机，风力机通过增速齿轮箱增速后与发电机连接。 图i 2 恒速恒频笼型异步风力发电系统 异步发电机并网运行时，在向电网输出有功功率的同时也从电网吸收滞后的无功 功率。异步发电机的转差率及电机的参数决定了异步发电机向电网输出的电流及 功率因数大小，系统并网后发电机在电机机械特性曲线的稳定区内运行，风力发 电机多采用机端并联电容器的方法提高功率因数。此种形式的风力发电系统主要 有以下几个缺点： ( 1 ) 因为桨距不能调节，风力机保持恒速运行，不能随着风速的变化而改变， 因此风能利用效率不高； ( 2 ) 系统对环境的适应性较差，不能适应风速的突然变化，因为系统采用恒速 运行方式，风速较大时，系统需要承受很大的机械应力，零部件容易损坏； ( 3 ) 无并网控制，并网时对电网影响较大。 1 3 2 变速恒频笼型异步风力发电系统 该系统的框图如图1 3 所示。与恒速恒频笼型异步风力发电系统的最大不同在 于异步发电机通过变流器后再与电网进行连接，变速恒频方式中发电机的转速随 着风速大小而变化，通过适当地控制变流器便能得到频率恒定的电能。该系统的 主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数始终保持在最佳值，因而效率较 高，风速变化较大时也能运行，可减少风力较大的阵风对风力发电机组产生的冲 击，延长机组寿命。系统的有功功率和无功功率可以方便地进行调节，从而可以 永磁直驱风力发电系统的优化设计0r i f 能评估 图1 3 变速恒频笼型异步风力发电系统 增强电网的调节能力，改善电能质量。 变速恒频笼型异步风力发电系统与传统的恒速恒频系统一样采用的是普通的 龙型异步发电机，不同的是可以控制风力机的转速随着风速而变化。风能是不稳 定的，因而变速风力发电机发出来的电能频率也是随着风速的变化而变化的，不 能直接并网使用，需要通过定子绕组与电网之间的变流器把频率不恒定的电能转 变为恒频电能才能并网。这种方案具有以下优点： ( 1 ) 普通笼型异步发电机成本低廉，结构结实，使用寿命长，技术成熟； ( 2 ) 发电机的励磁电流可从变流器的整流部分获取，降低成本； ( 3 ) 异步电机的响应速度快，从而使系统适应能力强。 但是由于异步电机都需要从电网中吸收无功功率，从而使电网的无功功率减 小，影响电网电压的稳定，因而采用此种系统需要增加额外的无功补偿装置，使 系统成本增加。另外变频器与定子绕组连接，需与发电机保持相同的容量，因而 在单机容量大的风电系统中较难应用。 1 3 3 变速恒频双馈风力发电系统 该系统的框图如图1 4 所示。变速恒频双馈发电机定子有两套极数不等的绕 组，一套称为控制绕组，通过变频器与电网连接。另一套称为功率绕组，通过变 压器与电网相连。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可 使定子频率恒定，即应满足： _ ，l = 肘2( 1 1 ) 式中，石为定子电流频率，与电网频率相同；厶为转子机械频率，无= n 6 0 ； p 为电机的极对数；五为转子电流频率。 _ i l l 簟_ 硕士学位论文 无 刷 双 馈 电 机 图1 4 变速恒频双馈风力发电系统 1 3 4 变速恒频直驱风力发电系统 系统框图如图1 5 所示。与变速恒频双馈风力发电机组不同，采用的发电机为 低速永磁同步发电机，采用永磁体结构，无需外部励磁，没有电刷和滑环，简化 了系统结构，风力机和发电机直接连接，取消了风力机与发电机之间可靠性较差 的齿轮箱，提高了可靠性和发电效率。但由于电机转速较低，因此体积较大，这 是永磁直驱风电系统目前遇到的最大技术难题。由于风速不断变化引起发电机的 产生的交流电也随着不断变化，所以必须通过变流器将其转换成和电网电压一致 的电能实现并网。目前常用的变流器结构是如图1 5 所示的背靠背结构r 7 1 。 图1 5 变速恒频直驱风力发电系统 1 4 本文的主要研究内容 电网 风力发电系统是一项涉及多个门类学科的系统工程，本文主要是以兆瓦级永 磁直驱同步风力发电系统作为研究对象，使用遗传算法对永磁直驱同步风力发电 系统进行了优化设计，并在优化设计的基础上评估了不同功率等级的永磁直驱同 水磁直驱风力发电系统的优化设计j 1 ，i j 能评估 步风力发电系统的性能差别。论文主要结构安排如下： 第一章为绪论部分。全面论述了论文的选题背景和意义，介绍了风力发电的 应用现状，今后风电技术的发展方向以及风力发电系统的主流机型，最后选择具 有发展优势的永磁直驱同步风力发电系统作为本文的研究重点。 第二章介绍了永磁直驱风力发电系统的模型。分别介绍了风力机、永磁直驱 同步风力发电机、变流器等永磁直驱风力发电系统各个部分的数学模型，并分析 了各自的运行特性。 第三章详细介绍了本文使用的优化设计算法遗传算法的基本原理，并针对 遗传算法和永磁直驱同步风力发电系统的特点，建立了永磁直驱同步风力发电机 优化数学模型。 第四章介绍了一个使用遗传算法进行优化设计的实例，并在优化设计的基础上 对比了功率等级分别为i m w ，2m w ，3m w ，5m w 及1 0m w 永磁直驱同步风 力发电系统的性能差别，得出了一些结论，为永磁直驱风电系统的设计及日后建 设风电场时风电机组的选择提供了一定的理论参考。 最后对理论研究与实践应用进行了总结，并就进一步的研究工作进行了展望。 l 尘兰丝垒圣一 第2 章永磁直驱风力发电系统的模型 2 1 风力机的建模与分析 2 1 1 风能计算理论 风能的计算主要涉及流体力学知识，由流体力学可知，气流的动能为： 1 e = - - im p 2 ( 2 1 ) 式中：m 一为气体的质量( 堙) ； ，一为气体的速度( m s ) 。 单位时间内气流流过截面积为s 的气体的体积为y 可用下式计算： y = s v ( 2 2 ) 该体积的空气质量用下式表示： m = p v = p s v( 2 3 ) 式中夕为空气密度，单位k g m 3 。 此时，流过的气流所具有的动能为： 1 e = 触3 ( 2 4 ) 上式即为风能的表达式，单位w 。 从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流 速度的立方成正比【10 1 。 2 2 2 风力机的运行特性 风力机的机械部分与发电机间是柔性连接的，风力机主要由叶片、轮毅、联 轴器等中间传动装置构成。风力机是将风能装化为机械能的主要部件，而这个转 化的过程是一个涉及多个学科的复杂过程，而电气领域只需考察风电系统的电气 动态特性，此时可采用简化的数学方法对风力发电机组的空气动力学特性进行建 模，其方程为： 弓= 虿1p q ( a ，) 万d 2 矿3 ( 2 5 ) 式中：p t 为风力机实际获得的轴功率，单位为w ；p 为空气密度，单位为k g m 3 ； d 为风轮的直径，单位为m ；v 为上游风速，单位y g r n s ；c 口( 名，) 为风力机的风能 利用系数。从式( 2 5 ) 可以看出，在额定风速以下当风能利用系数达到最大值时， 有效轴功率与风速的立方成正比关系，而当风速在额定值以上时可通过调整桨距 降低c 。( 五，) 来保持输出轴功率的恒定。额定风速可用下式计算： 永磁直驱j x l 力发电系统的优化设计j 州：能计估 = ( 2 6 ) 风力机的风能利用系数c 。( z ，) 随风速、风力机转速以及风力机攻角、桨距 角等的变化而变化，它反映了风力机吸收利用风能的效率，其表达式如下【1 1 2 】： c r = 云2 惫- c ，够_ ) = 0 2 2 ( 1 1 6 妒0 4 胪0 5 弦一2 5 如 ( 2 7 ) 10 0 3 5 其中， 五2 a + 0 0 8 f l 一f l s + l ( 2 8 ) a = 等 ( 2 9 )l = 了( 2 9 ) 式中e 为t 时间内叶轮吸收且转换的机械能，单位j ；只为单位时间内叶轮吸收 且转换的机械能，即风力机的机械输出功率，单位w ；p w 为单位时间内通过叶轮 扫掠面的风能，即风力机的输入功率，单位w ；为桨距角，单位d e g ；为风 轮角速度，单位r a d s ；r 为为风力机叶轮半径，单位m ；v 为风速，单位n i s ；入 为叶尖速比。根据式( 2 7 ) ( 2 9 ) 可以画出c 。随五和的变化曲线如图2 1 所示。 如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数c ，只与叶尖速比兄有关系，c ，与元的 曲线类似于抛物线，在叶尖速比为某一定值时才达最大。当变化时，c 。曲线 随着的增大而呈总体下降趋势，在最小时，曲线总体最高，此时的风力机的 利用系数c 。可以达到最大值。图2 1 所示的曲线也是我们通常所说的变桨距风力 机的特性曲线。风能利用系数c 。不仅是叶尖速比力的函数，同时也是桨叶节距角 的函数，从图中我们还可以看出以下几个特点： 0 图2 1 风能利用系数q 随叶尖速比五和桨叶节距角的变化曲线 ( 1 ) 桨叶桨距角1 3 不变时，随着叶尖速比的变化，仅存在唯一的风能利用系数 最大值。一，且仅有0 5 左右； 硕： = 学位论文 ( 2 ) 对于任意的尖速比五，桨叶节距角越小，风能利用系数c 。相对最大，随着 桨叶节距角不断增大，风能利用系数c 。迅速减小。 在某一固定的风速下，c 。的值会随着风力机转速c o 的变化而变化，从而使风 力机输出的机械功率只也发生变化，也就是说，转速国变化，会导致风力机捕获 风能的能力有所不同。风力机输出功率与转速及风速之间的关系如图2 2 所示，图 中虚线为风力机的最大输出功率曲线。从图中可知以下几个特点： ( 1 ) 在相同的额定风速下，风力机的输出功率先随着转速的增加而增加，中间 达到最大值后随着转速的增加而降低，类似于抛物线； ( 2 ) 风力机的转速相同时，额定风速越高，风力机的输出功率越大； ( 3 ) 风速越大，风力机的最大输出功率就越大。 从上述分析中我们可以看到变速恒频风力发电系统的优势，其主要任务是使 风力发电机的转速随着风速的变化而变化，使叶尖速比始终保持最优，风能利用 系数达到最大，从而始终保持对风能的最大捕获。 o 图2 2 风力机输出功率与转速之间的关系 风力机的发电量取决于许多因素，包括风力机安装地的年平均风速，风力机 的额定风速，切入切出风速，塔架安装高度等。风力机输出功率与风速的关系可 以用下式表示： 尸( 1 ，) = o 黯弓( v ，一1 ，j ) 3 。 弓 o 0 1 ，v f 哆1 ，y ， v ，1 ，y 。( 2 1 0 ) 1 ，1 ，。 式中尸( d 为风力机输出功率，弓为风力机额定功率，v 为风速，砖为切入风速， 咋为额定风速，屹为切出风速。根据式( 2 10 ) 可以画出风力机的典型功率特性曲 永磁直驱风力发电系统的优化设计 j t l ：能评估 - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = ! = ! ! = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = ! = 竺= = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = 詈 线如图2 3 所示。 硕十学位论文 切向式转子磁路结构如图2 4 所示，永磁体的磁化方向是沿转子圆的切向且 离气隙较远，因而漏磁较大。在切向磁化结构中，两块永磁体永磁体并联，同时 提供发电机的每极磁通，因而其气隙磁密较高，尤其在电机极数较多的情况下这 个性能更为突出，适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。 ( 2 ) 径向式转子磁路结构 径向式转子磁路结构如图2 5 所示，径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向 与转子圆的切向垂直且离气隙较近，因而漏磁系数较小，径向磁化结构中的永磁 体工作于串联状态，由单独的一块永磁体提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁 密相对较低。径向式转子磁路结构中永磁体的形状主要有瓦片形、矩形、环形、 星形等类型。其中最常用的是瓦片型，该结构可以将永磁体直接粘贴或者浇注在 发电机转轴表面上，具有漏磁小、结构简单、制造方便等优点。 1 一套环2 一永磁体3 一非磁性材料 4 一磁性材料衬套5 一转轴 图2 5 径向瓦片形永磁体转子磁路结构 ( 3 ) 混合式转子磁路结构 混合式转子