【文章內容簡介】 相關資料，風力機的實際的得到的功率為 PCsvP 3121 ?? 其中 CP為風力 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 ? 是風力機的一個重要的參數(shù) ，通常用槳葉的葉尖 處 圓周速度與風速的比來表述 。具體的公式表述如下 : WWR?? ?? 式中， RW 是風輪葉片的半徑 (m)。 W? 為風輪葉片旋轉速度 (rad/s)。 由式 (23) 可以得到邊槳距風力機的特性曲線示意圖如下圖所示 （ 21） （ 22） （ 23） 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 圖 21 變槳距風力特性曲線 由上圖，對于特定的風力機，具有使 Cp 最大的葉尖速比，稱之此時的λ為最佳葉尖速比，用λ opt 表示，對應的 Cp 為最大風能利用系數(shù)，用 Cp max 表示。 變速 恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的運行區(qū)域 由于受到系統(tǒng)的機械 特性 及電力電子器件 容量 的限制，變 速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的運行區(qū)域 根據(jù)不同的風況 主要 分為三個區(qū)域 : 圖 22 變速風力發(fā)電系統(tǒng)的運行區(qū)域 (1) 啟動階段 此時風速從零上升至切入風速。一般在沒有達到切入風速時，使發(fā)電機與電網(wǎng)脫離，直到風速大于或者等于切入風速時發(fā)電機再并網(wǎng)。在進行并網(wǎng)控制時， 我們 通過變 槳 距系統(tǒng) 來 改 變槳 葉 的 節(jié)距角來調節(jié)機組 的轉速；通過 調節(jié)發(fā)電機 的 定子電壓，使其滿足并網(wǎng)條第二章 風力機基礎 6 件，并在適當時進行并網(wǎng)操作。 (2) 變化階段 此時風力發(fā)電機獲得能量并轉換成電能輸送到電網(wǎng)。根據(jù) 機組轉速這一階段又分為兩個區(qū)域：變速運行區(qū)和恒速運行區(qū)。 處于 變速運行區(qū) 時，機組 轉速小于最大允許轉速。此時為了最大限度獲取能量，我們實行風能最大化的 追蹤 的 控制 方法，具體是使機組轉速隨風速變化進行調節(jié)，確保 風能利用系數(shù) 能夠 保持在 Cpmax。在這個階段，子系統(tǒng) 受控于風力機實現(xiàn)定槳距的控制手段 ； 而機組轉速由通過改變發(fā)電機輸出功率來控制 機組 的 轉速， 最終實現(xiàn)變速恒頻的運行方式 。 處于 恒速運行區(qū) 這個階段時，由于風力機組的 轉速超過了最大的允許轉速，所以不 需要再進行風能最大 追蹤 的控制方式 ，此時，機組 轉速保持在最大允許轉速上 ，轉速控制任務由風力機控制子系統(tǒng)通過變槳 距控制來實現(xiàn)。本階段風力機的輸出機械功率仍然在上升，但由于不是最大風能追蹤，所以上 升速度減緩。 (3) 功率恒定階段 隨著風速和功率的不斷增大，發(fā)電機及變流器的容量將達到功率極限，在此階段必須控制機組的功率使其小于功率極限。所以當風速增大時，必須通過控制使機組轉速降低，進而可以使功率相對而言降低，從而保持功率不變。 本章小結 詳述了風機的基本原理以及特性，以及 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的運行區(qū)域 ，具體分析了啟動階段，變化階段，功率恒定階段的最大風能追蹤，為一下章節(jié)的仿真打下風 力傳動基礎。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 第三 章 雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 雙饋電機的運行原理 我們通常所講的雙饋異步發(fā)電機實質上是一種繞線式 異步 電 動 機，由于其定 子接三相工頻電網(wǎng)，轉子通過雙 PWM 勵磁再接電網(wǎng)，定轉子的組合可與電網(wǎng)雙向 饋電，故簡稱雙饋電機。 示意圖如下： 雙 P W M變 換 器N 1N 2齒輪箱風力機圖 雙饋電機 雖然 屬于異步機 的范疇 ，但是 因為它擁有 獨立的勵磁繞組，可以 通過類似于像同步電機一樣施加勵磁 來 調節(jié)功率因數(shù) 。由 于是 電機的 繞組是 直流勵磁， 只有 電流的幅值 可調， 同 步電機 只有 無功功率 可以作為可調量 。 不同的是， 雙饋 電機的可調量有三個：一是 勵磁電流 的 幅值；二是勵磁 電量的 頻率；三是 電量的 相位 值 。 由于雙饋 電機 相對 同步電機 多出了 兩個可調 的 量， 所以我們可以 通過改變勵磁頻率， 來改變 電機的轉速， 實現(xiàn) 調速 。 我們可以通過 改變轉子勵磁的相位， 使由 轉子電流產生的 轉子處 磁場在氣隙空間 上存在 一個位移， 從而 改變了發(fā)電機 產生的 電 壓 與電網(wǎng) 額定的 電壓的相對位置， 實現(xiàn) 改變了電機的功率角 的改變 。 具體分析如下： 設雙饋電機的定轉子繞組均為對稱繞組，電機的極對數(shù)為 p,根據(jù)電磁場理論，當定子對稱三相繞組施以對稱三 相電壓，產生對稱的三相電流，從而在電機的氣隙中形成一個旋轉的磁場，該磁場的轉速 n1稱為同步轉速，它與電網(wǎng)頻率 f1及電機的極對數(shù) p 有如下的關系： pfn 11 60? (31) 第三章 雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 8 同樣的，在轉子三相對稱繞組上通入頻率為 2f 的對稱三相電流，所產生的旋轉磁場相對于轉自本身旋轉的速度為 pfn 22 60? （ 32） 可 知改變了 2f 即可改變 2n ，若同時改變通入轉子的三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的 轉向 ， 若維持 n ? 2n = 1n (常數(shù) ) （ 33） 則雙饋電機定子側的感應電勢的頻率將始終維持在 1f 不變 ，又知雙饋電機的 轉差率11n nns ?? (34) 則雙饋電機轉子三相繞組內通入的電流頻率應該為 1111122 6060 )(60 sfn nnpnnnppnf ???????（ 35） 即在雙饋電機的轉子上通入轉差頻率為 2f 的電流，即可使定子側的繞組中產生 1f 的恒頻電勢，故只需控制好轉子上的勵磁電流就可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電 ，這亦是雙饋電機實現(xiàn)變速恒頻（ VSCF）的運行的機理。 根據(jù)雙饋電機轉子轉速的變化， 雙饋電機 有 以 下三種 運行 狀態(tài)： （ 1nn? ） ： 在這種狀態(tài)下 由于轉子速高于定子電動勢的頻率，故轉子勵磁上之頻率 2f 的 電流產生的旋轉磁場轉速 2n 的轉向與轉子轉向相反，因此有12 nnn ?? 。 （ 1nn? ）：在這種狀態(tài)下轉子速低于定子電動勢頻率，故轉子勵磁上之頻率 2f 的電流產 生的旋轉磁場轉速 2n 的轉向與轉子轉向相同，因此有 12 nnn ?? 。 。 ( 1nn? ) 在此種狀態(tài)上轉子速等于定子電動勢頻率，故轉子勵磁上之頻率 2f =0，也即為直流電流，與普通的同步電機一樣。 功率流動圖如下所示： 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 轉差功率 (sPem)的方向取決于 ( 12 nn? )的符號，當 2n 1n 時， s0，此時為超同步狀態(tài)，轉差功率為負，即一部分能量從轉子側向 PWM 變換器傳輸，另一部分能量由雙饋電機的定子側向電網(wǎng)饋送。當 2n 1n 時， s0 ,此時為亞同步狀態(tài)，轉差功率為正，|s|Pem Pm Pm 齒輪箱 風力機 雙 PWM 變換器 sPem Pem (1s)Pem （ b）亞同步狀態(tài) 風力機 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 變換器變換向轉子勵磁，另一部分能量 由 定子側向電網(wǎng)饋送能量。 雙饋電機 在三相靜止坐標系下 的數(shù)學模型 一些假設 為了建立雙饋異步電機的 數(shù)學模型， 我們 一般做如下的假設： 1. 三相繞組視作對稱，可忽略空間的諧波，磁 動勢 正弦分布 于氣隙圓周 。 2. 定子和轉子繞組擁有線性的電阻及自感，互感 。 3. 所接電網(wǎng)為無窮大電網(wǎng) 4. 磁路飽并且鐵芯損耗可以忽略 。 等效繞組物理模型圖 在上述假設的前提下，建立繞組物理模型。 圖 (31)三相靜止坐標系下的物理繞組模型 其中 A,B,C 為定子側三相繞組的等效圖，其為靜止，固定不動； a,b,c 為轉子側三相繞組的等效圖，其隨著轉子一起旋轉， r? 為轉子空間位置角。 雙饋電機的基本方程 a B b A c C 2? 2? 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（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分別為定子轉子相電壓； iA， iB， ic， ia， ib， ic為定子，轉子相電流； , , , , ,A B C a b c? ? ? ? ? ?為定子轉子各相繞組磁鏈； R1,R2分別為定轉子各相繞組電阻； D微分算子 d/dt。 將轉子側參數(shù)進行折算后 ,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為折算后的轉子電阻， u‘ 折算后的轉子電壓， 39。? 為折算后的轉子磁鏈。 其中 39。2R= R2? (N1/N2)2,u’=u? (N1/N2)。 定子轉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 轉子繞組之間交鏈的最大互感磁通 引起的 轉子互感； L11， L12 指定子 ， 轉子的漏感 ； 2? 是指轉子空間位置角（電角度）。即定子 A 相與轉子 a 相之間的夾角。 忽略電機各元件之間的摩擦，轉矩平衡關系可表達如下： dtdJTTp em 2)( ??? (310) 式中， Tm為原動機提供的機械轉矩； Te 為電機的電磁轉矩； p 為電機的極對數(shù) 2? 為轉子的機械角速度。 5. 電磁轉矩方程