【正文】 我相信只要有付出就會有回報。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。 （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(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. 勵磁電抗表么值 ＝ 參數(shù)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(jīng)驗系數(shù)， 。在發(fā)電機設(shè)計中，這些都應(yīng)重新計算，以免引起較大的誤差。這樣在發(fā)電狀態(tài)時，其滿載系數(shù)（）比作電動狀態(tài)時大。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(shè)計開始分析。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)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(zhuǎn)矩方向亦相同。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時（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”氣隙磁場后感應(yīng)電動勢的方向。這種轉(zhuǎn)子的特點是，可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外加電阻，以改善電動機的起動和調(diào)速性能。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。容量較大的電動機，硅鋼片兩面涂以絕緣漆作為片間絕緣。第3章 風力發(fā)電機的設(shè)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。這類系統(tǒng)雖然能降低成本，但同時也導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率數(shù)值較低，可能會出現(xiàn)在閉環(huán)運行的頻帶中：應(yīng)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(jié)果。2. 槳矩控制抑制塔身扭矩和傳動鏈應(yīng)力為減小轉(zhuǎn)子應(yīng)力、槳葉和塔身的顫震、功率振蕩、改善陣風響應(yīng)，運用 LQG 最優(yōu)控制理論設(shè)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(zhuǎn)子角的周期性函數(shù)。為解決這些問題，采用一類積分型輸出反饋調(diào)節(jié)器聯(lián)動控制槳距角和勵磁電壓，次最優(yōu)調(diào)節(jié)風力機組的輸出功率和端電壓。仿真結(jié)果表明：可獲得較好的功率品質(zhì)，但由于在各個運行點進行線性化處理時略去了高次項，導(dǎo)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(yīng)力較大，疲勞負載也較嚴重，這類現(xiàn)象需引起足夠的重視。基于MPPT的風速估計器及最大效率點跟蹤的研究模型，設(shè)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。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(quán)矩陣，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問題。而風能利用系數(shù)一 (葉尖速比)關(guān)系的葉尖速比可表示為： （）式中——風力機的機械轉(zhuǎn)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(yīng)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)。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），并能有效的補償電網(wǎng)功率因數(shù)。是超導(dǎo)儲能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導(dǎo)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(shù), 是超導(dǎo)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(shù),是對應(yīng)的電流比例系數(shù)。具有這種功能的超導(dǎo)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。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(nèi)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(wǎng)型供電形式中基本不采用。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、雙端開關(guān)電源等。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體積、重量和成本。習慣上稱為直流變換器。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(guān)電源等應(yīng)用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。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。雙輸出異步發(fā)電機的有功功率、功率因數(shù)和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內(nèi)工作。同樣應(yīng)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(nèi)穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現(xiàn)。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應(yīng)發(fā)電機以超同步速度運行的。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。通常同步發(fā)電機并入電網(wǎng)時必須整步，并且并入電網(wǎng)后有時會發(fā)生振蕩與失步。設(shè)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(nèi)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(shù) () 所以有: ()風能利用系數(shù)時表征風輪機效率的重要參數(shù),它隨著風輪機轉(zhuǎn)速的不同,[ 3 ] , 的最大值為01593。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)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?。2). 較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應(yīng)由于風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速的變化。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網(wǎng)頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當于轉(zhuǎn)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(wǎng)相同的頻率和電壓后再聯(lián)入電網(wǎng)。在n2變化時，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度n1，以補償電機轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。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。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(wǎng)。缺點是電機的旋轉(zhuǎn)磁場不是理想正弦形，因此產(chǎn)生的電流中有不需要的諧波分量。2. 雙繞組雙速感應(yīng)發(fā)電機 這種電機有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內(nèi)，在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作，轉(zhuǎn)子仍是通常的鼠籠型。利用電力電子學(xué)是實現(xiàn)變速運行最佳的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導(dǎo)條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導(dǎo)條短接。因為三相電機比起相同額定功率的單相電機來，一般體積較小、效率較高、而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下才了考慮采用單相發(fā)電機。下面分別作一概要介紹。這是由于海上風速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風電場平均設(shè)備利用為2000h，好的為2600h，而在海上則可達3000h以上。在50m高處捕捉的風能要比30m高處多20%。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。特別近年來，中國的風力風電場建設(shè)取得了較好的經(jīng)濟效益和巨大的發(fā)展。世界風電總裝機容量1997年底為746萬KW,1998年底為1015萬KW，1999年底為1393萬KW，2000年達1845萬KW，2001年達2493萬KW，2002年達3112KW,平均年增長率在30%以上。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例子，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導(dǎo)致自然災(zāi)害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應(yīng)更加明顯，各國都認識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務(wù)之急是尋找和研究利用其他可再生資源。在偏遠地區(qū)，電力供應(yīng)困難。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴/汽油機發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。 技術(shù)驅(qū)動力隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動控制技術(shù)的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術(shù)的成熟，為風電技術(shù)向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。歐洲風能協(xié)會預(yù)計，全世界到2020年風力發(fā)電裝機容量將超過1億KW，占歐洲總發(fā)電量的20%以上。據(jù)統(tǒng)計，到2001年底，中國共建有27座風電場，裝機812臺。槳葉也向柔性方向發(fā)展。尤其值得注意的是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。為便于浮吊的施工，海上風電場一般建在水深為3～8m處，因而同容量裝機要比陸上成本增加60%（海上基礎(chǔ)占23%，線路占20%，陸上僅占5%）左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單。同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負載提供無功功率，一臺額定容量125KVA、向電網(wǎng)提供,+75KW和75KW之間的任何無功功率值。轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結(jié)構(gòu)簡單、堅固，基本上無需維護。變速運行的風力發(fā)電機有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類，下面分別作一概要介紹。電機有兩種轉(zhuǎn)速，分別決定于兩個繞組的極數(shù)。 連續(xù)變速系統(tǒng)連續(xù)變速系統(tǒng)可以通過多種方法來得到，包括機械方法、電/機械方法、電氣方法及電子學(xué)方法等。2. 磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)采用的發(fā)電機為磁場調(diào)制型發(fā)電機，磁場調(diào)制型變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的三相高頻交流發(fā)電機和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。系統(tǒng)中所采用的循環(huán)變流器是將一種頻率變換成另一種較低頻率的電力變換裝置，半導(dǎo)體開關(guān)器件采用線路換向，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一。這種發(fā)電機系統(tǒng)除具有普通雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)點外，還有一個很大的優(yōu)點就是電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于沒有電刷和滑環(huán)，基本上不需要維護。采用一定的控制策略（如矢量PWM）可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)可起到功率因數(shù)補償?shù)淖饔?。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。一般的, 對水平軸風輪機而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速風輪(少葉片風輪屬于高速風輪) 的大于低速風輪的, 同時考慮到在風場中風輪機會受到風速與風向波動的影響, 左右, 。而且，變速運行的風力發(fā)電機能捕捉更多的風能，這可從三個方面來說明：當風速低于用來發(fā)出與電網(wǎng)同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風能。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)和效率都較普通感應(yīng)發(fā)電機的高，也就是說它比普通感應(yīng)發(fā)電機具有很大的優(yōu)越性。這實際上是異步電機的串級調(diào)速在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。3. 無功功率和功率因數(shù)隨速度的變化普通異步發(fā)電機的無功功率比雙輸出異步發(fā)電機的高得多。另外，應(yīng)當指出的是，由于在轉(zhuǎn)子回路中采用了直流耦合變換器，在轉(zhuǎn)子和定子中都會引起諧波電流，從而產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩和增加機械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機的特性帶來了一些影響。b) 單相橋式全控整流電路與單相全波二者的區(qū)別在于：單相全波可控整流電路中變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據(jù)本文研究的風力發(fā)電機輸出的電的要求，本系統(tǒng)采用電容濾波的單相不可控整流電路2. 穩(wěn)壓電路的選擇策略開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展迅速，種類繁多，從工作方式上，可分為可控整流型、斬波型和隔離型三大類。直流變換器不都是隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器，因為直流變換器中，將輸入的直流變成交變電壓的逆變器不都是工作在開關(guān)狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能。另外，逆變時由于輸入電壓低，造成電流大，功率管的選擇比較困難。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結(jié)構(gòu)形式，也可以選擇不隔離的電路結(jié)構(gòu)形式。 采用電池儲能的風力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點的比較：鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價低廉，電氣性能良好。超導(dǎo)儲能單元的儲能容量大,響應(yīng)速度快,在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用,如解決次同步振蕩、多機系統(tǒng)穩(wěn)定等問題,其應(yīng)用前景非常光明。所以本系統(tǒng)采用超導(dǎo)儲能單元,可以提高整個系統(tǒng)的輸出。5) 變壓器通過變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ?1kV或33kV等）。如果當風速變化的時候，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得為某一個特定值不變，從而能保持最大的，即能最大限度的利用風能。對二次性能指標，如何選擇權(quán)矩陣是一項較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對由該所確定的性能指標而言的。異步發(fā)電機磁場定向控制，可實現(xiàn)電