发布时间 : 星期六 文章电气工程及其自动化毕业设计论文（最终版本）更新完毕开始阅读
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4. 创建出风机输出功率模型并根据创建的超级电容器模型，在
Matlab/Simulink平台上搭建超级电容器储能仿真系统进行仿真，仿真结果表明了超级电容器储能的有效性，并改变电容器的相关参数观察仿真波形进行比较，最后选出合适的超级电容器参数。
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第2章 双馈风力发电机和储能系统
2.1 风力发电系统的基本运行方式
风力发电系统按发电机的运行方式可分为：恒速恒频（VSCF）系统和变速恒频（VSCF）系统。风力发电机组的并网的条件是：系统输出电压、电流的频率、幅值和相位与电网电压、电流矢量一致。
恒速恒频系统的缺点是，风力机转速不能跟随风速的变化而调节。所以，风速突变时，风力机不能及时吸收产生的巨大风能，而完全由风力发电机组的各机械部件承受。在风速频繁变化的风电场中，风电机组的机械部件会疲劳损坏甚至不能使用。所以，要保证此系统能安全稳定的运行，风电机组的机械部件在设计和生产时都要做更多的考虑和保护措施。然而，这样机组的重量就不断的增加、制造成本也相应的加大。更重要的是，即使系统可以安全稳定的运行，也无法获取最大的风能，整个系统的风能转换效率较低
由于恒速恒频系统不能实现最大风能的捕获控制，变速恒频风力发电系统便应运而生。变速恒频系统主要解决了恒速恒频系统不能调节风力机转速实现最大风能捕获控制的问题。此系统的主要优点如下所述：
首先，由于风力机的转速可以跟随风力机的变化由控制系统调节，所以，风力机可以及时的吸收因为风速突然增加而产生的巨大风能。这样风电机组的机械部件就不会像恒速恒频系统那样承受很大的机械应力，也就减少了机械部件的疲劳损伤，降低了机械部件设计时的难度。而风速突然下降的时候，变频器控制系统又会控制高速风力机释放储存的动能转换为电能，并回馈给电网。所以说，风力机速度的可控性增加了风电系统运行的可靠性和稳定性。
其次，桨距控制系统简单。通过桨距控制可以减少风速突然变化时风力机叶片吸收的风能。在高风速阶段，桨距控制系统可以充分发挥调节作用，保证风力机的吸收功率在系统调节功率以内。而在功率恒定区之前，桨距角都可设置为0。
最后，通过风力机转速的调节就可以使风力机始终运行在最佳的叶尖速比上，也就保证了最佳风能利用系数。所以，变速恒频系统可以实现最大风能的捕获控制，提高发电机组的风能转换效率。
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2.1.1 变速恒频发电技术
上面分析可知，变速恒频风力发电系统是目前的发展方向，而变速恒频系统又有多种不同的实现方案。例如，无刷双馈风力发电机系统、绕线转子式双馈发电机系统、磁场调制时发电机系统、开关磁阻式发电机系统、无刷爪极式发电机系统、直驱型风力发电机系统等。这些系统各有特点，且应用于不同的场合。但是由于无刷发电机系统设计比较复杂，直驱型风力发电机系统控制复杂，技术不成熟，因此，目前大型风力发电系统的主要研究热点之一就是绕线转子式双馈风力发电系统，国际上已经出现了兆瓦级大功率的双馈型发电系统，技术相对成熟，因此，它是目前风电场最常见的风力发电机型，本文也将研究的重点放在双馈异步发电机系统上。
2.1.2双馈异步风力发电机原理及其特点
图2.1 双馈异步风力发电机结构图
图2.1给出了双馈异步风力发电机结构示意图。双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机，它是由定子、转子和轴承等元件构成，其定子绕组直接与电网相连接，转子绕组通过交-直-交变频器与电网相连，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称为双馈电机。转子绕组的频率、电压、幅值和相位可由变频器按照运行要求自动调节，可以保证机组在不同风速下实现恒频发电。转子侧变频器是用来调节风机输出有功功率，保证风力发电机最大功率跟踪以及为转子绕组提供励磁；电网侧变频器的主要任务是保证直流母线电压的稳定和满足功率因素要求
双馈异步风力发电机采用交流励磁变速恒频控制具有以下优点[16]： ① 风轮机可以在一定风速变化范围内运行，无需调整装置，减少了因调速
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而产生的机械应力。此外，风电机组控制更加方便和灵活，提高了风力发电机的运行效率。
② 通过对励磁电流幅值和相位的调节，利用矢量控制可以实现对风力发电机组输出有功功率和无功功率的独立控制。
③ 变频器所需功率与风力机容量比值较小，变频器的体积减小，有利于风力机成本的降低。
2.1.3 双馈风力发电机功率输出曲线
风轮机是用来捕获空气流动产生的动能，并将其转化成机械能的设备，其形式有多种，根据风轮旋转轴在空间的方向不同，分为水平轴风机和垂直轴风机两大类。目前大型风电机组大多都采用水平轴风机，其又可划分为定桨距、变桨距两种形式。当风速改变时，定桨距的桨叶迎风角不能随之改变，因而简单可靠；变桨距的可以通过控制改变风机桨距角，桨叶较轻巧，但结构太复杂，故障率相对较高。风机从风中吸收的能量可用下式表示：
P?1CpA?v3 （2.1） 2式中，P为风轮机输出功率；Cp是风轮的功率系数，其最大值为0.59（贝兹极限），是风轮能达到的最大效率；A为风轮扫风面积；?为空气密度；v为风速。
风力发电机性能可以用它的功率输出特性曲线来反映，是一个风速与有功的关系式：
123 P???DvCp?t?g （2.2）
8式中，P为风力机的输出有功功率；?为空气密度；D是风轮机叶片直径；
v是风速；Cp为风轮机系数；?t是风机传动装置的机械效率；?g是发电机的机械效率。
一般来说，在满足实际工程要求的情况下，可以将该功率输出特性简化成如下的函数表达式：
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