【文章內(nèi)容簡介】 同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊 緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。 風(fēng)輪機(jī)理論風(fēng)輪是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。風(fēng)輪機(jī)又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) [11][12]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。該機(jī)組通過風(fēng)力推動葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)增速來達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速后來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，有效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖如圖 22。葉片 變漿軸承 主軸 機(jī)艙吊 齒輪箱 高速軸制動器 發(fā)電機(jī) 軸流風(fēng)機(jī) 機(jī)座 滑環(huán) 1偏航軸承 1偏航驅(qū)動 1輪轂系統(tǒng) 圖 22 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真7 定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 [1][14]風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動性能，稱為定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。風(fēng)力機(jī)獲得的功率隨風(fēng)速不停的變化。發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)工作與同步轉(zhuǎn)速附近，而風(fēng)電機(jī)組一般工作在小于額定風(fēng)速時風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)換效率 Cp 的最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，為了確保發(fā)電機(jī)輸出功率恒定， 必須通過葉片失速來降低 Cp，來維持功率恒定。定漿距發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)正常工作滑差小于 1%，允許的滑差范圍一般小于 5%，但是風(fēng)速變化范圍卻很大。圖 23 為風(fēng)輪機(jī)的典型 Cp~λ 特性曲線。 圖 23 ~ 關(guān)系曲線),(??PC從上圖關(guān)系來看，大功率的發(fā)電機(jī)工作在高風(fēng)速區(qū)段，小功率發(fā)電機(jī)工作再低風(fēng)速區(qū)段，通過這種方法來調(diào)整葉尖速比 λ，實現(xiàn)機(jī)組在 Cp 最大下工作。所以定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的漿距角 β設(shè)定為 0 度。 永磁同步發(fā)電機(jī)基本原理 [13] 同步電機(jī)基礎(chǔ) 同步電機(jī)是另一種交流電機(jī)。同步電機(jī)的特點是在穩(wěn)定運(yùn)行時，它的轉(zhuǎn)速n 與定子電流的頻率 有著嚴(yán)格不變的關(guān)系，即1f P06?式中 ———同步轉(zhuǎn)速。因此而命名為“同步電機(jī)” 。異步電動機(jī)中，不存在這種關(guān)系，在穩(wěn)定運(yùn)行時，嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計8其轉(zhuǎn)速 n 與定子電流的頻率 必須是1f Pf106??即異步運(yùn)行。這種機(jī)理上的差異是由兩者轉(zhuǎn)子中的電流中的性質(zhì)不同所導(dǎo)致的。異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 n，轉(zhuǎn)子電流頻率 ，轉(zhuǎn)差率為12sf?，如 ，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，則 ，00/)(ns??0? 0?s轉(zhuǎn)子電流頻率 ，這意味著轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流是直流電流。如果改變異步2f電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使它成為用直流電流勵磁，且可以轉(zhuǎn)動的電磁鐵，這樣的交流電機(jī)便是同步電機(jī)。同步電機(jī)可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動機(jī)運(yùn)行。至今，主要作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，目前全世界的發(fā)電量幾乎全部由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步電動機(jī)在靜止的變頻電源未經(jīng)開發(fā)前，雖有功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)的優(yōu)點，因其轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，其用途受到限制。隨著電力電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，靜止的變頻裝置和整流裝置的應(yīng)運(yùn)而生，同步電機(jī)便別開了生面，特別是新型永磁材料的問世，同步電機(jī)采用永磁材料勵磁，簡化了結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮功率因數(shù)高、高效節(jié)能的優(yōu)勢，便日益擴(kuò)大了應(yīng)用的場合，成為控制系統(tǒng)中的一顆新星。 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)也是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成。（1）定子同步電機(jī)定子這個結(jié)構(gòu)部件和異步電機(jī)一樣，起著輸入或輸出電功率，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的作用，其結(jié)構(gòu)形式與異步電機(jī)并無多大區(qū)別，也是由導(dǎo)磁的定子鐵心和導(dǎo)電的三相繞組以及固定鐵心用的機(jī)座和端蓋等部件所組成。（2）轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是有明顯磁極的稱為凸極式，如圖所示，另一種是轉(zhuǎn)子為一個圓柱體，表面上開著槽，并無明顯磁極的，則稱為隱極式，如圖 24 所示。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子制成凸極式或隱極式的都有，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般都制成凸極式。凸極式同步電動機(jī)的磁極鐵心和直流電機(jī)一樣，由鋼板沖成沖片后疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組，固定在磁軛上。目前，小型凸極式同步發(fā)電機(jī)中，一出現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，即由鋼板沖成極身、極靴與磁軛連成整體的沖片疊壓起來，然后纏繞勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣的銅線繞成，與極身之間有絕緣。各磁極上的勵磁繞組間的聯(lián)接，必須注意到通過勵磁電流以后相鄰磁極的極性呈 N 與 S 交替排列。勵磁繞組兩個出現(xiàn)端接到兩個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真9集電環(huán)上，通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出。另外，在極靴上還裝有籠型繞組，這種籠型繞組稱為阻尼繞組，因為在同步電機(jī)非同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，他起著阻尼作用。整個轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、勵磁繞組、轉(zhuǎn)子支架（大型同步電機(jī)有） 、軸以及集電環(huán)等部件組成。 （a ）凸極式 b）隱極式 1 定子 2 凸極轉(zhuǎn)子 3 隱極轉(zhuǎn)子 4 集電環(huán) 圖 24 旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)的工作原理也基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的直流電流勵磁的轉(zhuǎn)子由原動機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速 時，定子上靜止開路的三相繞組（也稱電樞0n繞組） ，與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的磁極在空隙中所建立旋轉(zhuǎn)磁場相對運(yùn)動，定子繞組磁鏈發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定子繞組內(nèi)由此感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 （稱為0E勵磁電動勢）見圖 25。改變勵磁電流 的大小可相應(yīng)的改變勵磁電動勢 的fI大小。此時同步電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行而呈空載狀態(tài)。在同步轉(zhuǎn)速下，勵磁電動勢與勵磁電流 的關(guān)系，稱為發(fā)電機(jī)的空載特性，其意義、性質(zhì)以及測取方法0EfI和直流發(fā)電機(jī)的一樣。同步電機(jī)空載運(yùn)行時，其端電壓 。當(dāng)定子繞組接上對稱負(fù)載，同步0EU?發(fā)電機(jī)就處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，此時原動機(jī)向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率，發(fā)電機(jī)從定子繞組輸出電功率，經(jīng)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。這就是三相同步發(fā)電機(jī)的工作原理。 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計10 （a）同步發(fā)電機(jī)示意圖 （b）三相電動勢向量圖 圖 25 同步發(fā)電機(jī)工作原理示意圖同步電機(jī)和其他類型的電機(jī)一樣，也遵循可逆原理，可按發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，也可按電動機(jī)方式運(yùn)行。當(dāng)原動機(jī)拖動同步電機(jī)并勵磁時，電機(jī)從原動機(jī)輸入機(jī)械功率，向電網(wǎng)輸出電功率，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式。當(dāng)同步電機(jī)接入電網(wǎng)并勵磁，拖動機(jī)械負(fù)載時，從電網(wǎng)輸入電功率，在軸上輸出機(jī)械功率，為電動機(jī)運(yùn)行方式。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真113 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模 [15][16][17][18] 風(fēng)速模型由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性的特點，這里風(fēng)速模型采用四分量疊加法的風(fēng)速模型 ： trgbvv??，包括：基本風(fēng)，陣風(fēng)，漸變風(fēng)，隨即風(fēng) [15]。（1）基本風(fēng)：基本風(fēng)可以由風(fēng)電場測量所得的威布爾分布參數(shù)近似確定 )1(kAvb??? （31 ） 尺度參數(shù) A 和形狀參數(shù) k 可根據(jù)風(fēng)電場的實測數(shù)據(jù)估算。在實際與仿真時我們近似認(rèn)為 是一個不隨時間變化的分量，也就是取bv為一個常數(shù)。bv bv)/(smVst/圖 31 基本風(fēng)風(fēng)速變化曲線此模塊使用“constant ”模塊，即 ，基本風(fēng)速設(shè)置為 3m/s。（2）陣風(fēng)：描述風(fēng)速突然變化的特性，通常用來分析風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動的影響 ???????????????????g ggggTt TtTtvt1 11max1,0,)2cos(2,0? （32）式中， 為陣風(fēng)風(fēng)速，單位 m/s； 為陣風(fēng)峰值，單位 m/s；T1 為陣風(fēng)gvmaxgv開始時間，單位 s； 為陣風(fēng)周期，單位 s；t 為時間，單位 s。g嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計12陣風(fēng)風(fēng)速隨時間變化曲線如圖 32 maxgV)/(s1TgT?1st/ 圖 32 陣風(fēng)風(fēng)速隨時間變化曲線陣風(fēng)模型如下圖 33 所示1Out1t2t1t6VgmaxcosTrigonometricFunctionTgT1+TgT1Switch3 Switch2Scope2Scope1Product3Product1Product ofElements21/2Gain1KGain0Constant181Constant14 0Constant1Add3Add2