【正文】 數(shù)可在177。 最大風(fēng)能捕獲控制1. 控制發(fā)電機轉(zhuǎn)距實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡稱MPPT)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須實行變速運行，使系統(tǒng)能夠在不同風(fēng)速下都能獲得一個最佳葉尖速比；變速方法分為兩大類：一為主動變速，即通過改變風(fēng)輪的槳距角，改變風(fēng)電系統(tǒng)的總的輸入氣動轉(zhuǎn)矩；另一為被動變速，即根據(jù)測量風(fēng)速，調(diào)節(jié)與發(fā)電機部分相聯(lián)的逆變器的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。線性最優(yōu)控制是目前諸多現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用最多、最成熟的一個分支，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交流傳動、電力電子等領(lǐng)域。因此，額定風(fēng)速以下運行是變速恒頻發(fā)電運行的主要工作方式，也是經(jīng)濟(jì)高效的運行方式，這種情況下變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)就是追蹤與捕獲最大風(fēng)能。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機把風(fēng)力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在并網(wǎng)型供電形式中應(yīng)用超導(dǎo)儲能SMES 技術(shù)。超導(dǎo)儲能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種。根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)速條件計算出發(fā)電機電流、整流器電流、負(fù)荷電流、電池充電電流及電池電壓。另外，目前采用高頻鏈逆變技術(shù)的逆變器只能用于低功率范疇。從輸出取樣，經(jīng)放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種穩(wěn)壓電源的開關(guān)元件常由晶體三極管擔(dān)任。從上述比較考慮，單相全波電路適宜于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。 整流裝置1. 整流電路的選擇策略[20]1) 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。和同步電機過激時的情況類似，增加轉(zhuǎn)子側(cè)的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。為此在風(fēng)力發(fā)電機組的機電變換器線路中利用不同極對數(shù)和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機的方法，可以達(dá)到增加輸出的目的。但飛輪的使用受場地限制,且飛輪必須與柴油機配套使用。風(fēng)輪機的設(shè)計及其空氣動力特性的分析一直是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)的一個重要方向。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。而風(fēng)力發(fā)電機采取變速運行時，當(dāng)風(fēng)速躍升產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力。上述系統(tǒng)由于發(fā)電機與傳統(tǒng)的繞線式感應(yīng)電機類似，一般具有電刷和滑環(huán)，需要一定的維護(hù)和檢修。3. 雙饋發(fā)電機系統(tǒng)雙饋發(fā)電機的機構(gòu)類似繞組型感應(yīng)電機，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺頻率、電壓可調(diào)的低頻電源（一般采用交/交循環(huán)變流器）供給三相低頻勵磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速n2相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n3。由上述可以看出磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。發(fā)電機可以是市場上已有的通常電機如同步發(fā)電機、鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機、繞線型感應(yīng)發(fā)電機等，也有近來研制的新型發(fā)電機如磁場調(diào)制發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。它的每相繞組由匝數(shù)相同的兩部分組成，對于一種轉(zhuǎn)速是并聯(lián)，對于另一種轉(zhuǎn)速是串聯(lián)，從而使磁場在兩種情況下有不同的極數(shù)，導(dǎo)致兩種不同的運行速度。更重要的是，它不能利用轉(zhuǎn)子的慣性來吸收峰值轉(zhuǎn)矩，所以這種方法不能改善風(fēng)力機的疲勞壽命。自勵的條件，一個是電機本身存在一定的剩磁；另一個是在發(fā)電機的定子輸出端與負(fù)載并聯(lián)一組適當(dāng)容量的電容器，使發(fā)電機的磁化曲線與電容特性曲線交于正常的運行點，產(chǎn)生所需的額定電壓。在恒速恒頻系統(tǒng)中，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機。 風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機。2). 高效率的實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本。[14]風(fēng)力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向?qū)⒓性冢禾岣邫C群安裝場地選擇的準(zhǔn)確性；進(jìn)機群布局的合理性；提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制；進(jìn)一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電場將占據(jù)主導(dǎo)地位，風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。目前，丹麥、 美國、德國等風(fēng)電科技較發(fā)達(dá)的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)條件致力與新葉型的從理論到應(yīng)用的研究開發(fā)。這就必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。20世紀(jì)80年代中期，中國開始規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設(shè)備維護(hù)方面也會提供就業(yè)機會。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進(jìn)入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟(jì)的一種新的經(jīng)濟(jì)增長點。 化石能源資源枯竭與供應(yīng)安全[5]進(jìn)入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機。風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)項目設(shè)計方案 開發(fā)利用風(fēng)能的動因風(fēng)能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風(fēng)能的動因也在變化。在這些地區(qū)，利用汽油/柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運輸成本，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本也要高于6元/KW。 促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。 社會驅(qū)動力風(fēng)能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。安裝于魁北克省的凱普柴特。目前風(fēng)力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW以下獨力運行的小型風(fēng)力發(fā)電機組，二是100KW以上并網(wǎng)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機組。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到600～750KW，MW級的機組也成批生產(chǎn)，24MW級的機組已在實驗生產(chǎn)。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大20%。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。在考慮發(fā)電機系統(tǒng)方案時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點解決以下問題： 1) 高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。感應(yīng)發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。在單獨運行時，感應(yīng)發(fā)電機電壓的建立需要有一個自勵過程。但它對風(fēng)速的快速變化實際上只是一臺單速風(fēng)力機，因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風(fēng)能。3. 雙速極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機 這種感應(yīng)發(fā)電機只有一個定子繞組，轉(zhuǎn)子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設(shè)計不同于普通單速發(fā)動機。目前看來最有前景的當(dāng)屬電力電子學(xué)方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機和電力電子變換裝置。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。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，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。另外，對于恒速風(fēng)機來說，當(dāng)風(fēng)速躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，如果這種過程重復(fù)出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計時應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致制造成本增加。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(diào)幅波。：齒輪箱 風(fēng)力發(fā)電機整流裝置控制系統(tǒng)儲能裝置電 網(wǎng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)輪機風(fēng)輪機是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件, 它用來截獲流動空氣所具有的動能, 并將風(fēng)輪機葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動能轉(zhuǎn)換為有用的機械能, 所以它不僅決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。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)力渦輪機與發(fā)電機之間裝設(shè)飛輪,利用飛輪的高慣性在風(fēng)速過快時進(jìn)行儲能,風(fēng)速過慢時釋放儲能,使風(fēng)力渦輪機輸出機械功率穩(wěn)定。但該機組的主要缺點是風(fēng)速小時，電能輸出少。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)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(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。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(jìn)行比較，可用實驗的方法驗證雙輸出異步發(fā)電機的性能。這時，定子側(cè)的無功功率減少，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功功率增大。但通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)（如定子漏電感、轉(zhuǎn)子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻），可以使諧波分量降低，脈動轉(zhuǎn)矩和銅耗均減少。單相全波可控整流電路中，導(dǎo)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。 可控電流濾波脈沖控制電路 可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源2) 所謂斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流，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，控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的相對長短達(dá)到穩(wěn)壓的目的。經(jīng)過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。但是由于是新興技術(shù)，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(fù)雜、難以控制。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(fù)荷電壓,直流/ 直流轉(zhuǎn)換器用于兩個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。但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導(dǎo)儲能單元更具優(yōu)越性。隨著風(fēng)力發(fā)電向規(guī)模化、產(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。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)電機發(fā)出的電能控制為恒頻。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運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)運行控制的總體方案是：額定風(fēng)速以下風(fēng)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(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉尖速比，從而實現(xiàn)最佳功率曲線的能量的捕獲；在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機變槳距運行，由風(fēng)力機控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)節(jié)距角來改變風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運行而可能造成的事故。 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(xiàn)。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，其次就是最優(yōu)控制。而對于具有滑差功率回饋的兆瓦級雙饋感應(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)電要求的運行速度范圍。在整個風(fēng)速范圍內(nèi)，電機轉(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。現(xiàn)代風(fēng)機研究和制造的一個重要目標(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)機趨于輕質(zhì)化和更加柔性化。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，將狀態(tài)反饋設(shè)計轉(zhuǎn)化為輸出狀態(tài)反饋，仿真劇烈陣風(fēng)和電氣故障時的響應(yīng)。風(fēng)速、風(fēng)向的隨機性會使風(fēng)力發(fā)電機組的輸出電壓、頻率產(chǎn)生波動，如何減小以致消除這一波動是風(fēng)電技術(shù)的一個重要研究課題，應(yīng)用最優(yōu)控制方法將超導(dǎo)儲能單元 (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。通常同步發(fā)電機并入電網(wǎng)必須整步，并入電網(wǎng)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。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?；\形繞組是一個自行閉合的繞組，它由插入每個轉(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，整個繞組形如一個“圓籠”，因此稱為籠形繞組。正常情況下，異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速ns）感應(yīng)電機又稱為“感應(yīng)電機”。 若電機用原動機驅(qū)動，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(n＞ns)，則轉(zhuǎn)差率s＜0。對并網(wǎng)異步發(fā)電機來說，它從電網(wǎng)吸收無功電流，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。而異步發(fā)電機的應(yīng)用遠(yuǎn)不如異步電動機那么普遍。二是鐵耗增加。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(yīng)導(dǎo)出新的計算公式。 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 ＝＋＝ 工作性能計算66. 滿載時定子電流有功分量標(biāo)么值 ＝=67. 滿載時轉(zhuǎn)子電流無功分量標(biāo)么 ＝ ＝=68. 滿載時定子電流無功分量標(biāo)么值 ＝+ =69. 滿載電勢標(biāo)么值 ＝ 此值與28項中假設(shè)值相符。在作了大量的準(zhǔn)備工作之后，我自己設(shè)計出了一套計算程序，初步確定了電磁設(shè)計方案，經(jīng)過三個星期的努力，完成了電磁計算，計算出的各項指標(biāo)均符合要求。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：，264～277[2] 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