【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 相關(guān)資料，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際的得到的功率為 PCsvP 3121 ?? 其中 CP為風(fēng)力 利用系數(shù)，由貝茨理論 11151( , ) 0 . 7 3 ( 0 . 5 8 0 . 0 0 2 1 3 . 2 )pCe ?? ? ? ?? ?? ? ? ?； 式中 11 31 0 .0 30 .0 2 1? ? ? ????????????，其中，葉尖速比 ? 是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)重要的參數(shù) ，通常用槳葉的葉尖 處 圓周速度與風(fēng)速的比來(lái)表述 。具體的公式表述如下 : WWR?? ?? 式中， RW 是風(fēng)輪葉片的半徑 (m)。 W? 為風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)速度 (rad/s)。 由式 (23) 可以得到邊槳距風(fēng)力機(jī)的特性曲線示意圖如下圖所示 （ 21） （ 22） （ 23） 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 21 變槳距風(fēng)力特性曲線 由上圖，對(duì)于特定的風(fēng)力機(jī)，具有使 Cp 最大的葉尖速比，稱(chēng)之此時(shí)的λ為最佳葉尖速比，用λ opt 表示，對(duì)應(yīng)的 Cp 為最大風(fēng)能利用系數(shù)，用 Cp max 表示。 變速 恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域 由于受到系統(tǒng)的機(jī)械 特性 及電力電子器件 容量 的限制，變 速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域 根據(jù)不同的風(fēng)況 主要 分為三個(gè)區(qū)域 : 圖 22 變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域 (1) 啟動(dòng)階段 此時(shí)風(fēng)速?gòu)牧闵仙燎腥腼L(fēng)速。一般在沒(méi)有達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫離，直到風(fēng)速大于或者等于切入風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)再并網(wǎng)。在進(jìn)行并網(wǎng)控制時(shí)， 我們 通過(guò)變 槳 距系統(tǒng) 來(lái) 改 變槳 葉 的 節(jié)距角來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組 的轉(zhuǎn)速；通過(guò) 調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī) 的 定子電壓，使其滿(mǎn)足并網(wǎng)條第二章 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ) 6 件，并在適當(dāng)時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)操作。 (2) 變化階段 此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng)。根據(jù) 機(jī)組轉(zhuǎn)速這一階段又分為兩個(gè)區(qū)域：變速運(yùn)行區(qū)和恒速運(yùn)行區(qū)。 處于 變速運(yùn)行區(qū) 時(shí)，機(jī)組 轉(zhuǎn)速小于最大允許轉(zhuǎn)速。此時(shí)為了最大限度獲取能量，我們實(shí)行風(fēng)能最大化的 追蹤 的 控制 方法，具體是使機(jī)組轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保 風(fēng)能利用系數(shù) 能夠 保持在 Cpmax。在這個(gè)階段，子系統(tǒng) 受控于風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)定槳距的控制手段 ； 而機(jī)組轉(zhuǎn)速由通過(guò)改變發(fā)電機(jī)輸出功率來(lái)控制 機(jī)組 的 轉(zhuǎn)速， 最終實(shí)現(xiàn)變速恒頻的運(yùn)行方式 。 處于 恒速運(yùn)行區(qū) 這個(gè)階段時(shí)，由于風(fēng)力機(jī)組的 轉(zhuǎn)速超過(guò)了最大的允許轉(zhuǎn)速，所以不 需要再進(jìn)行風(fēng)能最大 追蹤 的控制方式 ，此時(shí)，機(jī)組 轉(zhuǎn)速保持在最大允許轉(zhuǎn)速上 ，轉(zhuǎn)速控制任務(wù)由風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)通過(guò)變槳 距控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。本階段風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率仍然在上升，但由于不是最大風(fēng)能追蹤，所以上 升速度減緩。 (3) 功率恒定階段 隨著風(fēng)速和功率的不斷增大，發(fā)電機(jī)及變流器的容量將達(dá)到功率極限，在此階段必須控制機(jī)組的功率使其小于功率極限。所以當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，必須通過(guò)控制使機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而可以使功率相對(duì)而言降低，從而保持功率不變。 本章小結(jié) 詳述了風(fēng)機(jī)的基本原理以及特性，以及 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域 ，具體分析了啟動(dòng)階段，變化階段，功率恒定階段的最大風(fēng)能追蹤，為一下章節(jié)的仿真打下風(fēng) 力傳動(dòng)基礎(chǔ)。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三 章 雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理 我們通常所講的雙饋異步發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種繞線式 異步 電 動(dòng) 機(jī)，由于其定 子接三相工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過(guò)雙 PWM 勵(lì)磁再接電網(wǎng)，定轉(zhuǎn)子的組合可與電網(wǎng)雙向 饋電，故簡(jiǎn)稱(chēng)雙饋電機(jī)。 示意圖如下： 雙 P W M變 換 器N 1N 2齒輪箱風(fēng)力機(jī)圖 雙饋電機(jī) 雖然 屬于異步機(jī) 的范疇 ，但是 因?yàn)樗鼡碛?獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，可以 通過(guò)類(lèi)似于像同步電機(jī)一樣施加勵(lì)磁 來(lái) 調(diào)節(jié)功率因數(shù) 。由 于是 電機(jī)的 繞組是 直流勵(lì)磁， 只有 電流的幅值 可調(diào)， 同 步電機(jī) 只有 無(wú)功功率 可以作為可調(diào)量 。 不同的是， 雙饋 電機(jī)的可調(diào)量有三個(gè)：一是 勵(lì)磁電流 的 幅值；二是勵(lì)磁 電量的 頻率；三是 電量的 相位 值 。 由于雙饋 電機(jī) 相對(duì) 同步電機(jī) 多出了 兩個(gè)可調(diào) 的 量， 所以我們可以 通過(guò)改變勵(lì)磁頻率， 來(lái)改變 電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 實(shí)現(xiàn) 調(diào)速 。 我們可以通過(guò) 改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的相位， 使由 轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)子處 磁場(chǎng)在氣隙空間 上存在 一個(gè)位移， 從而 改變了發(fā)電機(jī) 產(chǎn)生的 電 壓 與電網(wǎng) 額定的 電壓的相對(duì)位置， 實(shí)現(xiàn) 改變了電機(jī)的功率角 的改變 。 具體分析如下： 設(shè)雙饋電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組均為對(duì)稱(chēng)繞組，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為 p,根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)定子對(duì)稱(chēng)三相繞組施以對(duì)稱(chēng)三 相電壓，產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的三相電流，從而在電機(jī)的氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n1稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速，它與電網(wǎng)頻率 f1及電機(jī)的極對(duì)數(shù) p 有如下的關(guān)系： pfn 11 60? (31) 第三章 雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 8 同樣的，在轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱(chēng)繞組上通入頻率為 2f 的對(duì)稱(chēng)三相電流，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)自本身旋轉(zhuǎn)的速度為 pfn 22 60? （ 32） 可 知改變了 2f 即可改變 2n ，若同時(shí)改變通入轉(zhuǎn)子的三相電流的相序，還可以改變此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 轉(zhuǎn)向 ， 若維持 n ? 2n = 1n (常數(shù) ) （ 33） 則雙饋電機(jī)定子側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)的頻率將始終維持在 1f 不變 ，又知雙饋電機(jī)的 轉(zhuǎn)差率11n nns ?? (34) 則雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應(yīng)該為 1111122 6060 )(60 sfn nnpnnnppnf ???????（ 35） 即在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子上通入轉(zhuǎn)差頻率為 2f 的電流，即可使定子側(cè)的繞組中產(chǎn)生 1f 的恒頻電勢(shì)，故只需控制好轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電 ，這亦是雙饋電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速恒頻（ VSCF）的運(yùn)行的機(jī)理。 根據(jù)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化， 雙饋電機(jī) 有 以 下三種 運(yùn)行 狀態(tài)： （ 1nn? ） ： 在這種狀態(tài)下 由于轉(zhuǎn)子速高于定子電動(dòng)勢(shì)的頻率，故轉(zhuǎn)子勵(lì)磁上之頻率 2f 的 電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 2n 的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，因此有12 nnn ?? 。 （ 1nn? ）：在這種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子速低于定子電動(dòng)勢(shì)頻率，故轉(zhuǎn)子勵(lì)磁上之頻率 2f 的電流產(chǎn) 生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 2n 的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，因此有 12 nnn ?? 。 。 ( 1nn? ) 在此種狀態(tài)上轉(zhuǎn)子速等于定子電動(dòng)勢(shì)頻率，故轉(zhuǎn)子勵(lì)磁上之頻率 2f =0，也即為直流電流，與普通的同步電機(jī)一樣。 功率流動(dòng)圖如下所示： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 轉(zhuǎn)差功率 (sPem)的方向取決于 ( 12 nn? )的符號(hào)，當(dāng) 2n 1n 時(shí)， s0，此時(shí)為超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差功率為負(fù)，即一部分能量從轉(zhuǎn)子側(cè)向 PWM 變換器傳輸，另一部分能量由雙饋電機(jī)的定子側(cè)向電網(wǎng)饋送。當(dāng) 2n 1n 時(shí)， s0 ,此時(shí)為亞同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差功率為正，|s|Pem Pm Pm 齒輪箱 風(fēng)力機(jī) 雙 PWM 變換器 sPem Pem (1s)Pem （ b）亞同步狀態(tài) 風(fēng)力機(jī) 齒輪箱 雙 PWM 變換器 （ a）超同步狀態(tài) (1s)Pem P em 第三章 雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 10 其中一部分能量經(jīng)由雙 PWM 變換器變換向轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，另一部分能量 由 定子側(cè)向電網(wǎng)饋送能量。 雙饋電機(jī) 在三相靜止坐標(biāo)系下 的數(shù)學(xué)模型 一些假設(shè) 為了建立雙饋異步電機(jī)的 數(shù)學(xué)模型， 我們 一般做如下的假設(shè)： 1. 三相繞組視作對(duì)稱(chēng)，可忽略空間的諧波，磁 動(dòng)勢(shì) 正弦分布 于氣隙圓周 。 2. 定子和轉(zhuǎn)子繞組擁有線性的電阻及自感，互感 。 3. 所接電網(wǎng)為無(wú)窮大電網(wǎng) 4. 磁路飽并且鐵芯損耗可以忽略 。 等效繞組物理模型圖 在上述假設(shè)的前提下，建立繞組物理模型。 圖 (31)三相靜止坐標(biāo)系下的物理繞組模型 其中 A,B,C 為定子側(cè)三相繞組的等效圖，其為靜止，固定不動(dòng)； a,b,c 為轉(zhuǎn)子側(cè)三相繞組的等效圖，其隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)， r? 為轉(zhuǎn)子空間位置角。 雙饋電機(jī)的基本方程 a B b A c C 2? 2? 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 矩陣形式 U=Ri+D? （ 36） 未折算式 1112220 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0A A AB B BC C Ca a ab b bc c cuiRRRDuiRRR??????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? (37) 備注： uA， uB， uc， ua， ub， uc分別為定子轉(zhuǎn)子相電壓； iA， iB， ic， ia， ib， ic為定子，轉(zhuǎn)子相電流； , , , , ,A B C a b c? ? ? ? ? ?為定子轉(zhuǎn)子各相繞組磁鏈； R1,R2分別為定轉(zhuǎn)子各相繞組電阻； D微分算子 d/dt。 將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)進(jìn)行折算后 ,矩陣變?yōu)椋? 11139。 39。 39。39。239。 39。 39。39。239。 39。 39。39。20 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0A A AB B BC C Ca a ab b bc c cuiRRRDuiRRR??????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? （ 38） 其中 39。2R為折算后的轉(zhuǎn)子電阻， u‘ 折算后的轉(zhuǎn)子電壓， 39。? 為折算后的轉(zhuǎn)子磁鏈。 其中 39。2R= R2? (N1/N2)2,u’=u? (N1/N2)。 定子轉(zhuǎn)子的磁鏈方程一般用分塊陣表示： ???????????????????212221121121 iiLL LL?? (39) 其中， 1? =? ?TCBA ??? 2? =? ?Tcba ??? 第三章 雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 12 1i =? ?TCBA iii 2i =? ?Tcba iii 式中 L11=???????????????????111111111111lmmmmlmmmmlmLLLLLLLLLLLL ， L22=???????????????????222222222222lmmmmlmmmmlmLLLLLLLLLLLL ????????????????????????22222222211221c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s?????????mT LLL Lm1 是指 與定子繞組之間交鏈的最大互感磁通 引起的 定子互感； Lm2指 與 轉(zhuǎn)子繞組之間交鏈的最大互感磁通 引起的 轉(zhuǎn)子互感； L11， L12 指定子 ， 轉(zhuǎn)子的漏感 ； 2? 是指轉(zhuǎn)子空間位置角（電角度）。即定子 A 相與轉(zhuǎn)子 a 相之間的夾角。 忽略電機(jī)各元件之間的摩擦，轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系可表達(dá)如下： dtdJTTp em 2)( ??? (310) 式中， Tm為原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩； Te 為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； p 為電機(jī)的極對(duì)數(shù) 2? 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 5. 電磁轉(zhuǎn)矩方程