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二〇一四年三月
风力发电系统综合设计
风力发电系统综合设计
题 目：5KW 永磁风力发电机仿真 学生姓名：xxxx 学 院：电力学院 系 别：电力系
专 业：风能与动力工程 班 级：x x x x 指导教师：xxxx
一、设计要求
对5KW永磁同步风力发电机进行仿真，要求查阅相关资料，选取合适的风机数据，通过MATLANB进行仿真，实现并网，并且各方面数据复合并网要求。
本设计开发的风力发电价为5KW直驱式永磁风力发电机，通过掌握电机设计的原理特点，熟悉永磁电机基本原理和应用，完成并设计出5KW永磁式风力发电机，完成后，并对
设计的电机进行各性能的计算，从而得出符合本设计的要求。
二、基本原理
在风力发电风力发电领域基于双馈感应发电机与PMSG的风电系统应用最为广泛。
由于PMSG风电系统具有运行效率高、调速范围宽等优点, 且无需齿轮箱、滑环与电刷等，已成为大功率、海上风电领域极具潜力的发展方向。
5K永磁同步发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电
机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去驱型风力发电机齿轮箱这一传统部件。
直驱风力发电机的优点是：
由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。
最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。
运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。
采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。
采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。
直驱风力发电机的缺点是：
是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。
同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。
发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。
三、设计内容
1、永磁同步风力发电机结构原理
永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。
磁极在外转子内圆上，内定子嵌有三相绕组。
如图1
其转子磁路结构多为切向式转子磁路结构，径向式转子磁路结构、混合式转子磁路结构、轴向式转子磁路结构。
图1 电机外形示意图
其发电机特性如图：
图2 5KW 风力机的Cp 特性曲线
0510
152025
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Wind Turbine Cp Characteristic (pitch angle increases by step of 2 deg.)C p
Lambda
图3 5KW 风力机的特性
图4 发电机空载时电动势(V)
5
10
15
20
25
30
35
00.51
1.5
Wind Turbine Characteristics (w = 1 pu, pitch angle increases by step of 2 deg.)P (p u )
5
10
15
20
25
30
35
010
20
L a m b d a
0510
1520253035
0.10.20.30.40.5
0.6Wind Speed (m/s)
C
p
图5 发电机负载时电动势(V) 2、5KW永磁机组的相关参数
表1 5KW风力发电机的技术参数
所选风机特点：
1.发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。
2.可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。
同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。
3.运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。
4.电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。
3、5KW永磁风力发电机仿真总体框图
图6 5KW永磁风力发电机仿真总体框图
4、5KW永磁机仿真
图7 5KW永磁同步发电机仿真
本设计仿真了：风机传动机构、永磁同步电机、整流器、DC-DC升压电路、逆变器、控制系统的仿真及其输出。
其输出结果如图：
图8 仿真输出波形
四、总结
在本次毕业设计中，通过对5KW直驱型永磁风力发电机的设计，直驱永磁同步发电机把直驱风力发电机和永磁同步发电机的优点集为一身。
较其他点击而言，它具有体积小、功率密度高、工作可靠性能高的优势。
本文以内转子直驱永磁为电机的设计选项，据此进行了电机的初始设计，然后有限元分析的方法分析了电机的工作性能。
本文验证了直驱永磁同步风力发电机在风力发电系统中具有良好的工作性能，能够满足各方面的技术要，同时巩固和加强了本专业理论知识；设计也满足了现代工程设计的要求，达到了预期的目标。
在设计过程中，永磁电机的设计是本设计的重点。
另外，由于设计时间仓促和知识的有限，在系统设计中也存在着和一些需要解决的问题，比如，从电机运行的实际出发，考虑整个系统的效率、尺寸和工艺实现的难度。
这些都需要以后在工作实践中不断学习、摸索和积累经验加以解决。
总之，本毕业设计在理论上是可行的，但在具体应用时还需要不断改进设计思路，提高设计方法，解决实际中遇到的新问题。