【正文】 電力電子變換裝置。發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器整流成直流電再通過線路換向的逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網。它實質上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調制和解調技術來產生一個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，相應改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度n1，以補償電機轉速的變化，保持輸出頻率恒定不變。在前一種情況下，除了定子向電網饋送電力外，轉子也向電網饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網饋送電力的同時，需要向轉子饋入部分電力。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當于轉差頻率，必須通過電力變換裝置（交/交循環(huán)變流器）變換成與電網相同的頻率和電壓后再聯入電網。另外，對于恒速風機來說，當風速躍升時，巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產生很大的機械應力，如果這種過程重復出現會引起這些部件的疲勞損壞，因此設計時應該加大安全系數，從而導致制造成本增加。2). 較寬的轉速運行范圍，以適應由于風速變化引起的風力機轉速的變化。異步發(fā)電機三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調幅波。這個特點非常適合用于并網運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當簡單，運行非?？煽?。：齒輪箱 風力發(fā)電機整流裝置控制系統(tǒng)儲能裝置電 網 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 風輪機風輪機是整個風力發(fā)電系統(tǒng)能量轉換的首要部件, 它用來截獲流動空氣所具有的動能, 并將風輪機葉片迎風掃掠面積內的一部分空氣的動能轉換為有用的機械能, 所以它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。設A 為風輪機葉片迎風掃掠面積,為空氣進入風輪機掃掠面以前的風速(即未擾動風速) , Q為空氣的密度, 則在單位時間(內垂直通過截面A的空氣的動能, 即風輪機的輸入功率為: = ()定義風能利用系數 () 所以有: ()風能利用系數時表征風輪機效率的重要參數,它隨著風輪機轉速的不同,[ 3 ] , 的最大值為01593。齒輪箱也根據特殊情況采用一些特殊裝置,例如:：在孤島型供電方式的風力發(fā)電系統(tǒng)中,可在風力渦輪機與發(fā)電機之間裝設飛輪,利用飛輪的高慣性在風速過快時進行儲能,風速過慢時釋放儲能,使風力渦輪機輸出機械功率穩(wěn)定。通常同步發(fā)電機并入電網時必須整步，并且并入電網后有時會發(fā)生振蕩與失步。但該機組的主要缺點是風速小時，電能輸出少。因此，也有采用一臺雙速變極發(fā)電機來替代兩臺不同額定功率值的異步發(fā)電機。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一個有源逆變器相連，使轉子回路的轉差頻率交流電流由半導體整流器整流為直流，再經逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網中去。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應發(fā)電機以超同步速度運行的。2. 雙輸出異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性為了使雙輸出異步發(fā)電機與普通異步發(fā)電機進行比較，可用實驗的方法驗證雙輸出異步發(fā)電機的性能。同樣應當注意，電機達到失步之前，定子電流增加到超過其額定值時會使電機過熱，然而雙輸出異步發(fā)電機若使引起發(fā)熱的電流保持不變，在超過運行速度范圍時，也能在其額定發(fā)熱范圍內穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現。這時，定子側的無功功率減少，轉子側的無功功率增大。雙輸出異步發(fā)電機的有功功率、功率因數和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內工作。但通過選擇適當的參數（如定子漏電感、轉子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉子電阻），可以使諧波分量降低，脈動轉矩和銅耗均減少。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設備的容量。單相全波可控整流電路中，導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，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：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。 可控電流濾波脈沖控制電路 可控整流型開關穩(wěn)壓電源2) 所謂斬波型開關穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關電路上，在開關電路的輸出端得到單向的脈動直流，經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，經比較、放大、控制脈沖信號，控制調整開關的導通時間和截止時間的相對長短達到穩(wěn)壓的目的。習慣上稱為直流變換器。經過逆變器將直流供電能量轉變成頻率很高的交流能量，再經變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，得到新的直流輸出電壓。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體積、重量和成本。但是由于是新興技術，逆變時要精確確定電壓過零點和電流過零點，因此控制電路比較復雜、難以控制。升壓電路可供選擇的電路結構形式有多鐘，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開關電源等。圖中是發(fā)電機出口電壓,是整流器出口電壓, 是逆變器入口電壓,U是負荷電壓,直流/ 直流轉換器用于兩個直流電源之間的電壓轉換,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)電機電壓和整流器電壓在短時間內不會隨風速的變化而劇烈波動,但電池容量有限,一般用于小容量的孤島型風力發(fā)電系統(tǒng),在并網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儲能單元更具優(yōu)越性。具有這種功能的超導儲能單元可被看作是一個由有功和無功控制器控制幅值和相位的可控電流源。隨著風力發(fā)電向規(guī)?；a業(yè)化發(fā)展,風力發(fā)電系統(tǒng)的供電形式必然由孤島型向并網型發(fā)展。是超導儲能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導儲能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強制換向變換器的時間常數, 是超導儲能線圈的電感, 和分別為電壓和電流的標幺值,是異步發(fā)電機的滑差系數,是對應的電流比例系數。在變速恒頻風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉換裝置將發(fā)電機發(fā)出的電能控制為恒頻。4) 網側變流器由自關斷器件構成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補償電網功率因數。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)運行控制的總體方案變速恒頻風力發(fā)電追蹤和最大風系統(tǒng)運行控制的總體方案是：額定風速以下風力機按優(yōu)化槳矩角定漿距運行，由發(fā)電機控制子系統(tǒng)來控制轉速，調節(jié)風力機葉尖速比，從而實現最佳功率曲線的能量的捕獲；在額定風速以上風力機變槳距運行，由風力機控制系統(tǒng)通過調節(jié)節(jié)距角來改變風能系數，從而控制風電機組的轉速和功率，防止風電機組超出轉速極限和功率極限運行而可能造成的事故。而風能利用系數一 (葉尖速比)關系的葉尖速比可表示為： （）式中——風力機的機械轉速(Rad／s) ——葉片半徑(m) ——迎面風速()由上可知，在為某一個特定值時對應一個最大的，但是恒速恒頻風力發(fā)電機幾乎不變，而風速是不斷變化的，所以恒速恒頻風力發(fā)電機總是工作于低效狀態(tài)。 風力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)控制原理最優(yōu)控制是現代控制理論的一個重要組成部分，也是將最優(yōu)化理論用于控制問題的一種體現。對線性最優(yōu)控制求解問題主要有變分法和極大值原理，如果性能指標采用二次型性能指標： （）其中：、分別為狀態(tài)量與控制量的權矩陣，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設計轉化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問題。風力發(fā)電系統(tǒng)所應用的控制方法中，以傳統(tǒng)的PID 控制最多，也最為常見，其次就是最優(yōu)控制。基于MPPT的風速估計器及最大效率點跟蹤的研究模型，設計最優(yōu)控制器，可以優(yōu)化無刷雙饋變速風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。而對于具有滑差功率回饋的兆瓦級雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)，轉差率控制能夠獲得適合風力發(fā)電要求的運行速度范圍。仿真結果表明：可獲得較好的功率品質，但由于在各個運行點進行線性化處理時略去了高次項，導致過分嚴格的性能指標要求，使控制器之間的切換過于頻繁，槳葉應力較大，疲勞負載也較嚴重，這類現象需引起足夠的重視。在整個風速范圍內，電機轉速由自尋優(yōu)控制外環(huán)和具有飽和特性的速度內環(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。為解決這些問題，采用一類積分型輸出反饋調節(jié)器聯動控制槳距角和勵磁電壓，次最優(yōu)調節(jié)風力機組的輸出功率和端電壓?，F代風機研究和制造的一個重要目標就是降低單位發(fā)電成本，有效的功率控制不僅可以增加風能捕獲，而且可以降低結構性成本及穩(wěn)定邊界，使風機趨于輕質化和更加柔性化。2. 槳矩控制抑制塔身扭矩和傳動鏈應力為減小轉子應力、槳葉和塔身的顫震、功率振蕩、改善陣風響應，運用 LQG 最優(yōu)控制理論設計一個全狀態(tài)周期性的槳距控制器，系統(tǒng)狀態(tài)方程是軸轉子角的周期性函數。以端電壓和電功率的最小偏差和積分為目標得到最優(yōu) MIMO 控制方案，在保持重要狀態(tài)的同時，將狀態(tài)反饋設計轉化為輸出狀態(tài)反饋，仿真劇烈陣風和電氣故障時的響應。這類系統(tǒng)雖然能降低成本，但同時也導致系統(tǒng)固有頻率數值較低，可能會出現在閉環(huán)運行的頻帶中：應用系統(tǒng)辨識法描述變速定槳距異步風能系統(tǒng)的模型，比較六種不同的線性與非線性控制方案 ，進行大范圍的頻域和時域分析，可獲得較為滿意的結果。風速、風向的隨機性會使風力發(fā)電機組的輸出電壓、頻率產生波動，如何減小以致消除這一波動是風電技術的一個重要研究課題，應用最優(yōu)控制方法將超導儲能單元 (SMES)加入并網型風力發(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 軟件包設計控制器，仿真結果表明可改善風電系統(tǒng)輸出的電壓、頻率的穩(wěn)定性。第3章 風力發(fā)電機的設計 概述[11]風力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種：同步發(fā)電機和異步發(fā)電機，而采用最多的是三相異步發(fā)電機。通常同步發(fā)電機并入電網必須整步，并入電網后有時會發(fā)生振蕩與失步，這此些問題在異步發(fā)電機中均不存在。容量較大的電動機，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。轉子由轉子鐵心，轉子繞組和轉軸組成?；\形繞組是一個自行閉合的繞組，它由插入每個轉子槽中的導條和兩端固定環(huán)形端環(huán)構成，如果去掉鐵心，整個繞組形如一個“圓籠”，因此稱為籠形繞組。這種轉子的特點是，可以在轉子繞組中接入外加電阻，以改善電動機的起動和調速性能。正常情況下，異步電機的轉子轉速總是略低或略高于旋轉磁場的轉速（同步轉速ns）感應電機又稱為“感應電機”。當轉子轉速低于旋轉磁場的轉速時（ns＞n＞0）,轉差率0＜s＜，按右手定則，即可確定轉子導體“切割”氣隙磁場后感應電動勢的方向。 若電機用原動機驅動，使轉子轉速高于旋轉轉速(n＞ns)，則轉差率s＜0。此時轉子導體“切割”氣隙磁場的相對速度方向與電動機狀態(tài)時相同，幫轉子導體中的感應電動勢和電流的有功分量與電動機狀態(tài)時同方向，電磁轉矩方向亦相同。對并網異步發(fā)電機來說，它從電網吸收無功電流，使電網功率因數變壞。為解決以上問題，不僅要在控制方面改進，而且首先從電機的設計開始分析。而異步發(fā)電機的應用遠不如異步電動機那么普遍。這樣在發(fā)電狀態(tài)時，其滿載系數（）比作電動狀態(tài)時大。二是鐵耗增加。在發(fā)電機設計中，這些都應重新計算，以免引起較大的誤差。因而某些項目的符號必須改變；3) 異步電動機中=km()2 [1+(km)2]用于異步發(fā)電機時誤差較大，應導出新的計算公式。 （此值與31項中假定值相符，否則重新假定并計算31～43項中有關各量，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. 勵磁電抗表么值 ＝ 參數計算 48. 線圈平均半匝長（見圖附2） 定子線圈節(jié)距 ＝= m 平均半匝長（單層線圈）＝＝ m 式中 是經驗系數， 。 端環(huán)電阻折算值 ＝ 導條電阻表么值 ＝ 端環(huán)電阻表么值 ＝ 轉子電阻表么值 ＝＋＝ 工作性能計算66. 滿載時定子電流有功分量標么值 ＝=67. 滿載時轉子電流無功分量標么 ＝ ＝=68. 滿載時定子電流無功分量標么值 ＝+ =69. 滿載電勢標么值 ＝ 此值與28項中假設值相符。它來不得半點虛假，它要求我們一步一個腳印地做好每一步工作。在作了大量的準備工作之后，我自己設計出了一套計算程序，初步確定了電磁設計方案，經過三個星期的努力，完成了電磁計算，計算出的各項指標均符合要求。我相信只要有付出就會有回報。參考文獻[1] [M].北京：，264～277[2] 秦曉平，王克成．異步電動機的雙饋調速和串級調速[M].北京：,122～143[3] 湯蘊繆，[M].北京：，141～143[4] [J].電機技術,1996，（3）：122～135[5] ：化學工業(yè)出版社. 2004，3～7