【正文】 電力電子變換裝置。發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過(guò)三相橋式整流器整流成直流電再通過(guò)線路換向的逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。它實(shí)質(zhì)上是利用一臺(tái)三相高頻交流發(fā)電機(jī)，通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)所需的低頻單相輸出。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。另外，因其電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量要大，提高了成本。在n2變化時(shí)，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度n1，以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。在前一種情況下，除了定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網(wǎng)饋送電力的同時(shí)，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。前3個(gè)端子輸出的電力，其頻率與電網(wǎng)頻率一樣，后三個(gè)端子輸出的電力，其頻率相當(dāng)于轉(zhuǎn)差頻率，必須通過(guò)電力變換裝置（交/交循環(huán)變流器）變換成與電網(wǎng)相同的頻率和電壓后再聯(lián)入電網(wǎng)。另外，對(duì)于恒速風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過(guò)風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，如果這種過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)會(huì)引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致制造成本增加。2). 較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，以適應(yīng)由于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。異步發(fā)電機(jī)三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波。這個(gè)特點(diǎn)非常適合用于并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁通過(guò)勵(lì)磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出總是自動(dòng)與電網(wǎng)同步，不存在失步問(wèn)題，而且整個(gè)系統(tǒng)控制相當(dāng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行非?？煽俊＃糊X輪箱 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流裝置控制系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置電 網(wǎng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件, 它用來(lái)截獲流動(dòng)空氣所具有的動(dòng)能, 并將風(fēng)輪機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能, 所以它不僅決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)A 為風(fēng)輪機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積,為空氣進(jìn)入風(fēng)輪機(jī)掃掠面以前的風(fēng)速(即未擾動(dòng)風(fēng)速) , Q為空氣的密度, 則在單位時(shí)間(內(nèi)垂直通過(guò)截面A的空氣的動(dòng)能, 即風(fēng)輪機(jī)的輸入功率為: = ()定義風(fēng)能利用系數(shù) () 所以有: ()風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)表征風(fēng)輪機(jī)效率的重要參數(shù),它隨著風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的不同,[ 3 ] , 的最大值為01593。齒輪箱也根據(jù)特殊情況采用一些特殊裝置,例如:：在孤島型供電方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,可在風(fēng)力渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間裝設(shè)飛輪,利用飛輪的高慣性在風(fēng)速過(guò)快時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能,風(fēng)速過(guò)慢時(shí)釋放儲(chǔ)能,使風(fēng)力渦輪機(jī)輸出機(jī)械功率穩(wěn)定。通常同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)必須整步，并且并入電網(wǎng)后有時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩與失步。但該機(jī)組的主要缺點(diǎn)是風(fēng)速小時(shí)，電能輸出少。因此，也有采用一臺(tái)雙速變極發(fā)電機(jī)來(lái)替代兩臺(tái)不同額定功率值的異步發(fā)電機(jī)。為使異步發(fā)電機(jī)作為一種變速、恒頻裝置運(yùn)行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個(gè)整流器、一個(gè)直流耦合變換器和一個(gè)有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。該異步發(fā)電機(jī)是作為一臺(tái)雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)以超同步速度運(yùn)行的。2. 雙輸出異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性為了使雙輸出異步發(fā)電機(jī)與普通異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較，可用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證雙輸出異步發(fā)電機(jī)的性能。同樣應(yīng)當(dāng)注意，電機(jī)達(dá)到失步之前，定子電流增加到超過(guò)其額定值時(shí)會(huì)使電機(jī)過(guò)熱，然而雙輸出異步發(fā)電機(jī)若使引起發(fā)熱的電流保持不變，在超過(guò)運(yùn)行速度范圍時(shí)，也能在其額定發(fā)熱范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，這可通過(guò)改變變換器的觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，定子側(cè)的無(wú)功功率減少，轉(zhuǎn)子側(cè)的無(wú)功功率增大。雙輸出異步發(fā)電機(jī)的有功功率、功率因數(shù)和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內(nèi)工作。但通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)（如定子漏電感、轉(zhuǎn)子漏電感及勵(lì)磁電感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻），可以使諧波分量降低，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和銅耗均減少。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設(shè)備的容量。單相全波可控整流電路中，導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而也少了一次管壓降。d) 電容濾波的單相不可控整流電路的特點(diǎn)：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合。 可控電流濾波脈沖控制電路 可控整流型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源2) 所謂斬波型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開(kāi)關(guān)電路上，在開(kāi)關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動(dòng)直流，經(jīng)濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流輸出電壓，從輸出電壓取樣，經(jīng)比較、放大、控制脈沖信號(hào)，控制調(diào)整開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短達(dá)到穩(wěn)壓的目的。習(xí)慣上稱為直流變換器。經(jīng)過(guò)逆變器將直流供電能量轉(zhuǎn)變成頻率很高的交流能量，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，得到新的直流輸出電壓。但是因?yàn)槭褂霉ゎl變壓器，從而增大了體積、重量和成本。但是由于是新興技術(shù)，逆變時(shí)要精確確定電壓過(guò)零點(diǎn)和電流過(guò)零點(diǎn)，因此控制電路比較復(fù)雜、難以控制。升壓電路可供選擇的電路結(jié)構(gòu)形式有多鐘，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開(kāi)關(guān)電源等。圖中是發(fā)電機(jī)出口電壓,是整流器出口電壓, 是逆變器入口電壓,U是負(fù)荷電壓,直流/ 直流轉(zhuǎn)換器用于兩個(gè)直流電源之間的電壓轉(zhuǎn)換,有帶電壓隔離和不帶電壓隔離兩種。由于電池的存在,使得發(fā)電機(jī)電壓和整流器電壓在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)隨風(fēng)速的變化而劇烈波動(dòng),但電池容量有限,一般用于小容量的孤島型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),在并網(wǎng)型供電形式中基本不采用。但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導(dǎo)儲(chǔ)能單元更具優(yōu)越性。具有這種功能的超導(dǎo)儲(chǔ)能單元可被看作是一個(gè)由有功和無(wú)功控制器控制幅值和相位的可控電流源。隨著風(fēng)力發(fā)電向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的供電形式必然由孤島型向并網(wǎng)型發(fā)展。是超導(dǎo)儲(chǔ)能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強(qiáng)制換向變換器的時(shí)間常數(shù), 是超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的電感, 和分別為電壓和電流的標(biāo)幺值,是異步發(fā)電機(jī)的滑差系數(shù),是對(duì)應(yīng)的電流比例系數(shù)。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能控制為恒頻。4) 網(wǎng)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件構(gòu)成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制的總體方案變速恒頻風(fēng)力發(fā)電追蹤和最大風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行控制的總體方案是：額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化槳矩角定漿距運(yùn)行，由發(fā)電機(jī)控制子系統(tǒng)來(lái)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的能量的捕獲；在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機(jī)變槳距運(yùn)行，由風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)距角來(lái)改變風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行而可能造成的事故。而風(fēng)能利用系數(shù)一 (葉尖速比)關(guān)系的葉尖速比可表示為： （）式中——風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(Rad／s) ——葉片半徑(m) ——迎面風(fēng)速()由上可知，在為某一個(gè)特定值時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大的，但是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎不變，而風(fēng)速是不斷變化的，所以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)總是工作于低效狀態(tài)。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)控制原理最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要組成部分，也是將最優(yōu)化理論用于控制問(wèn)題的一種體現(xiàn)。對(duì)線性最優(yōu)控制求解問(wèn)題主要有變分法和極大值原理，如果性能指標(biāo)采用二次型性能指標(biāo)： （）其中：、分別為狀態(tài)量與控制量的權(quán)矩陣，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的控制方法中，以傳統(tǒng)的PID 控制最多，也最為常見(jiàn)，其次就是最優(yōu)控制?；贛PPT的風(fēng)速估計(jì)器及最大效率點(diǎn)跟蹤的研究模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器，可以優(yōu)化無(wú)刷雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。而對(duì)于具有滑差功率回饋的兆瓦級(jí)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差率控制能夠獲得適合風(fēng)力發(fā)電要求的運(yùn)行速度范圍。仿真結(jié)果表明：可獲得較好的功率品質(zhì)，但由于在各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行線性化處理時(shí)略去了高次項(xiàng)，導(dǎo)致過(guò)分嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求，使控制器之間的切換過(guò)于頻繁，槳葉應(yīng)力較大，疲勞負(fù)載也較嚴(yán)重，這類(lèi)現(xiàn)象需引起足夠的重視。在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由自尋優(yōu)控制外環(huán)和具有飽和特性的速度內(nèi)環(huán)控制；槳距角由具有飽和特性的功率控制環(huán)控制，在逆變器額定功率以下保持最大，額定功率以上靠PI調(diào)節(jié)器保持輸出電壓的穩(wěn)定和輸出最大電流。為解決這些問(wèn)題，采用一類(lèi)積分型輸出反饋調(diào)節(jié)器聯(lián)動(dòng)控制槳距角和勵(lì)磁電壓，次最優(yōu)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)組的輸出功率和端電壓?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)研究和制造的一個(gè)重要目標(biāo)就是降低單位發(fā)電成本，有效的功率控制不僅可以增加風(fēng)能捕獲，而且可以降低結(jié)構(gòu)性成本及穩(wěn)定邊界，使風(fēng)機(jī)趨于輕質(zhì)化和更加柔性化。2. 槳矩控制抑制塔身扭矩和傳動(dòng)鏈應(yīng)力為減小轉(zhuǎn)子應(yīng)力、槳葉和塔身的顫震、功率振蕩、改善陣風(fēng)響應(yīng)，運(yùn)用 LQG 最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)全狀態(tài)周期性的槳距控制器，系統(tǒng)狀態(tài)方程是軸轉(zhuǎn)子角的周期性函數(shù)。以端電壓和電功率的最小偏差和積分為目標(biāo)得到最優(yōu) MIMO 控制方案，在保持重要狀態(tài)的同時(shí)，將狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為輸出狀態(tài)反饋，仿真劇烈陣風(fēng)和電氣故障時(shí)的響應(yīng)。這類(lèi)系統(tǒng)雖然能降低成本，但同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率數(shù)值較低，可能會(huì)出現(xiàn)在閉環(huán)運(yùn)行的頻帶中：應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)法描述變速定槳距異步風(fēng)能系統(tǒng)的模型，比較六種不同的線性與非線性控制方案 ，進(jìn)行大范圍的頻域和時(shí)域分析，可獲得較為滿意的結(jié)果。風(fēng)速、風(fēng)向的隨機(jī)性會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓、頻率產(chǎn)生波動(dòng)，如何減小以致消除這一波動(dòng)是風(fēng)電技術(shù)的一個(gè)重要研究課題，應(yīng)用最優(yōu)控制方法將超導(dǎo)儲(chǔ)能單元 (SMES)加入并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，首先建立SMES 模型及加入SMES后系統(tǒng)的線性化仿真模型，采用遺傳算法求解最優(yōu)反饋矩陣，并借助 MATLAB 軟件包設(shè)計(jì)控制器，仿真結(jié)果表明可改善風(fēng)電系統(tǒng)輸出的電壓、頻率的穩(wěn)定性。第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 概述[11]風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)，而采用最多的是三相異步發(fā)電機(jī)。通常同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)必須整步，并入電網(wǎng)后有時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩與失步，這此些問(wèn)題在異步發(fā)電機(jī)中均不存在。容量較大的電動(dòng)機(jī)，硅鋼片兩面涂以絕緣漆作為片間絕緣。半閉口槽可以減少主磁路的磁阻，使激磁電流減少，但嵌線較不方便。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。籠形繞組是一個(gè)自行閉合的繞組，它由插入每個(gè)轉(zhuǎn)子槽中的導(dǎo)條和兩端固定環(huán)形端環(huán)構(gòu)成，如果去掉鐵心，整個(gè)繞組形如一個(gè)“圓籠”，因此稱為籠形繞組。這種轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是，可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外加電阻，以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能。正常情況下，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速ns）感應(yīng)電機(jī)又稱為“感應(yīng)電機(jī)”。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)（ns＞n＞0）,轉(zhuǎn)差率0＜s＜，按右手定則，即可確定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體“切割”氣隙磁場(chǎng)后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。 若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(n＞ns)，則轉(zhuǎn)差率s＜0。此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體“切割”氣隙磁場(chǎng)的相對(duì)速度方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)相同，幫轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的有功分量與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)同方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向亦相同。對(duì)并網(wǎng)異步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，它從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。為解決以上問(wèn)題，不僅要在控制方面改進(jìn)，而且首先從電機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)始分析。而異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)不如異步電動(dòng)機(jī)那么普遍。這樣在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其滿載系數(shù)（）比作電動(dòng)狀態(tài)時(shí)大。二是鐵耗增加。在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，這些都應(yīng)重新計(jì)算，以免引起較大的誤差。因而某些項(xiàng)目的符號(hào)必須改變；3) 異步電動(dòng)機(jī)中=km()2 [1+(km)2]用于異步發(fā)電機(jī)時(shí)誤差較大，應(yīng)導(dǎo)出新的計(jì)算公式。 （此值與31項(xiàng)中假定值相符，否則重新假定并計(jì)算31～43項(xiàng)中有關(guān)各量，要求精確誤差部大于） 44. 總磁壓降 ＝ + + + + = 45. 滿載磁化電流 ＝ = A46. 滿載磁化電流表么值 ＝ =47. 勵(lì)磁電抗表么值 ＝ 參數(shù)計(jì)算 48. 線圈平均半匝長(zhǎng)（見(jiàn)圖附2） 定子線圈節(jié)距 ＝= m 平均半匝長(zhǎng)（單層線圈）＝＝ m 式中 是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， 。 端環(huán)電阻折算值 ＝ 導(dǎo)條電阻表么值 ＝ 端環(huán)電阻表么值 ＝ 轉(zhuǎn)子電阻表么值 ＝＋＝ 工作性能計(jì)算66. 滿載時(shí)定子電流有功分量標(biāo)么值 ＝=67. 滿載時(shí)轉(zhuǎn)子電流無(wú)功分量標(biāo)么 ＝ ＝=68. 滿載時(shí)定子電流無(wú)功分量標(biāo)么值 ＝+ =69. 滿載電勢(shì)標(biāo)么值 ＝ 此值與28項(xiàng)中假設(shè)值相符。它來(lái)不得半點(diǎn)虛假，它要求我們一步一個(gè)腳印地做好每一步工作。在作了大量的準(zhǔn)備工作之后，我自己設(shè)計(jì)出了一套計(jì)算程序，初步確定了電磁設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)三個(gè)星期的努力，完成了電磁計(jì)算，計(jì)算出的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。我相信只要有付出就會(huì)有回報(bào)。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：，264～277[2] 秦曉平，王克成．異步電動(dòng)機(jī)的雙饋調(diào)速和串級(jí)調(diào)速[M].北京：,122～143[3] 湯蘊(yùn)繆，[M].北京：，141～143[4] [J].電機(jī)技術(shù),1996，（3）：122～135[5] ：化學(xué)工業(yè)出版社. 2004，3～7