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目 录

1 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 风力发电技术国内外发展现状 1

1.3 本课题主要研究内容 2

2 风电系统运行原理和数学建模 3

2.1 永磁同步风电系统的基本结构，运行原理和优势 3

2.2 永磁同步风电系统主要组成部分的数学模型 6

2.2.1 风速数学模型 6

2.2.2 传动系统数学模型 7

2.3 直流侧电容的选择 9

3 PWM和空间矢量PWM控制技术的基本原理 10

3.1 PWM控制的基本原理 10

3.2 空间矢量PWM控制的基本原理 10

3.3 本节小结 12

4 风电系统的建模与仿真分析 13

4.1 仿真软件的简介 13

4.2 风电系统建模研究的必要性 13

4.3 风电系统建模中遇到的问题 14

4.4 仿真结果的分析 14

4.5 风电系统的评估 19

5 总结与心得体会 19

参考文献 20

致谢 21

1 引言

1.1 研究背景及意义

在科技越来越先进的今天，人类对资源的依靠也越来越大。然而地球上不可再生资源的总的数量是有限的，所以我们已经遇到十分严重的能源危机，这是人类想要继续发展不得不面对的一个问题。同时伴随着人们环保意识的不断加强，寻求和开发新能源已经十分紧急。许多国家在为国家发展所需的不可再生能源发愁，环保人士也在世界各地奔走呼号，在这样的背景下，风力发电受到了各国的重视^[1]。风能是来自可再生能源的电力，风力发电是增长最快的可再生能源技术，也被世界公认为是最具成本效益的发电方式。如果使用风力发电，我们只在前期的基础建设和后期的维护上有所花费，和传统的火力发电相比，省去了一大笔购买煤炭等燃料的巨额费用，同时风力发电对环境的影响也要远远小于火力发电。世界上各处风能能量的总和庞大到远远超过常人的想象，风力可提供的能量甚至远远大于各种燃料所能提供的能量。根据我们的初步了解，中国陆地上可利用开发的风能即可达到数亿千瓦，这还并未加上海岸线附近可利用开发的风能资源，如果加上海上可利用的风能，经初步计算，全国可开发风能资源估计在10亿千瓦以上。随着我国全面地发展和人们开始有保护环境的概念，中国也更加重视风力发电的发展应用。随电力相关技术飞速全面的进步，风力发电的发展也非常快速。单机容量也变得越来越大，最开始时单机容量很小，而现在已发展到是原来的数十倍。目前，我国发展风电技术的重中之重就是开发研制兆瓦级变速恒频风电机组^[2]。

1.2 风力发电技术国内外发展现状

美国、欧洲等一些主要的发达国家在经历了二十世纪后期的世界性的能源问题后，痛定思痛，为了解决能源问题带来的限制，为了今后更好的发展，他们投入了大笔的资金去寻找和开发绿色的可再生能源，比如风能，水能和光能等。在经过一批又一批科技人员的努力下，很多可再生能源的开发与利用已经变得十分成熟，并在生活中得到大量应用。在西方的一些发达国家，用于风力发电的风车四处可见。在众多可再生能源的开发中，风力发电的前途一片光明，在很多国家风电已十分接近商业化，全球的风电产业也在蓬勃发展，每年都有新的国家投入到该方面的研究与应用中。从全球风能理事会统计核对的数据了解到，截至 2015 年的年底，全球风电累计装机容量达到了432,419MW，额且保持持续快速增长的强劲态势。

目前，在该领域处于世界前列的主要是一些传统发达资本主义国家，德国、美国、荷兰、丹麦等国在风电领域都成果斐然。而在亚洲地区，印度相关领域的技术也十分发达，走在了世界的前列。德国的风电技术领先于全世界，并已大规模投入应用中。对于这些西欧国家来说，风能是十分重要的能源。美国居于世界第二位。目前，国际上主流发电机机型为在600KW到700KW之间，稍大型商品化的风力发电机组也已投入运行，具体的运行情况还有待评估。据 某电力领域的报纸报道，欧洲一些国家已合作研制2.5MW的风力发电机。世界上风电的开发正变得越来越多元化，风力发电机也变得越来越大型化，风电系统设备也越来越追求实用性。

我国的风电技术在不断发展，但还没有实现风电机组的自产。数年之前，我国用于风力发电的机组绝大多来自国外，其中欧洲产的风电机组超过半数，我们国家自己生产的机组只占了相当小的比重。同时，我国有一个不得不面对的问题。在我国部分地区，由于自然环境的恶劣和能源的短缺，电网中电力十分不合理。风力所产生的电能不是很稳定，如果风电在电网中占比太高，会对电网产生不好的影响。如内蒙、新疆，风电比重就很高，因此风电对电网稳定性的影响必须引起足够的重视。虽然如此，但我国的风电行业却在迅猛发展。从全球风能理事会的统计数据来看，到2016年为止，中国累计装机容量不光大幅度领先第二名的美国，并且超越全部欧盟成员国的总和。

表1 2016年全球新增装机容量排名前十

海上风电的开发与研究起步较晚，起始于上世纪末，但由于海上风电的各种优点，它已经成为目前风电研究的重要方向。相比陆地风电，虽然海上风电运行环境较复杂，开发难度较大，后期维护成本较高，但是在海上，风力资源丰富且稳定。而且，由于海风不同于陆地上风的性质，所以采用海上风力发电对风电系统中传动系统的损害较小。现在，海上风电技术正在一步步发展。西欧的一些国家海上风电已相对发达，正步入规模化发展阶段。我国也有一些海上风电的小规模项目，目前，正处于向大规模发展的过渡阶段。而今，全世界的海上风电装机容量已十分可观。全世界海上风电装机容量前三名国家分别是英国、德国和丹麦，其中英国占全世界风电装机容量份额多于 40%，仍然是全球海上风电市场的领跑者。

1.3 本课题主要研究内容

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