【正文】 物體周圍的氣體不可壓縮，設(shè)要計算風(fēng)速的塔架的直徑為 TD ， F 為給定的修正因子，則修正后的塔架直徑為 FDD T ?? 。 對數(shù)模型采用地面粗糙度 0V 來定義： ? ? ? ?? ??????????00loglog zh zhVhVhu bhhuh 圖 514 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速分布基本結(jié)構(gòu)圖 Bladed 中可用三種不同的模型來描述塔影效應(yīng)，即潛流模型、經(jīng)驗塔尾跡模型和組合模型，第一種模型適合運(yùn)行在塔架上風(fēng)向的風(fēng)輪，而后兩種模型則適用于下風(fēng)向運(yùn)行的風(fēng)輪。指數(shù)模型采用風(fēng)切變指數(shù) ? 對風(fēng)切變定義如下，式中 huhVh 表示輪轂高度處的平均風(fēng)速。二者本質(zhì)上都是一個周期性變化的過程。 風(fēng)切變是指穩(wěn)定狀態(tài)下平均風(fēng)速在垂直方向上隨高度變化的現(xiàn)象，造成這種情況的原因主要包括兩個方面，一是地面的摩擦效應(yīng)使得近地面的風(fēng)速小于遠(yuǎn)地面的風(fēng)速 ；二則由于溫度隨高度變化而對空氣流速的影響。 風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響 理論基礎(chǔ) 隨機(jī)風(fēng)電機(jī)組大型化的趨勢，風(fēng)力機(jī)塔架越來越高，葉片半徑越來越長，使得風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對風(fēng)力機(jī)的影響越來越顯著。 ]R e a c t i v e p o w e r t o g r i dR e a c t i v e p o w e r f r o m s t a t o r [kVAr]S p e e d [ r p m ] 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0010 11 12 13 14 15 16 17 18 19直驅(qū)機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時機(jī)組不向電網(wǎng)輸出無功功率，無功功率值為零。 ]A c t i v e p o w e r f r o m g r i dc o n v e r t e rA c t i v e p o w e r f r o m s t a t o r [W]S p e e d [ r p m ]01 0 0 0 0 02 0 0 0 0 03 0 0 0 0 04 0 0 0 0 05 0 0 0 0 06 0 0 0 0 07 0 0 0 0 08 0 0 0 0 09 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 01 2 0 0 0 0 01 3 0 0 0 0 01 4 0 0 0 0 01 5 0 0 0 0 01 6 0 0 0 0 01 7 0 0 0 0 01 8 0 0 0 0 01 9 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 02 1 0 0 0 0 02 2 0 0 0 0 010 11 12 13 14 15 16 17 18 19d : \ d e m o [ R u n 39。 圖 512 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時風(fēng)電機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的 無 功功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 d : \ d e m o [ R u n 39。 此外，定子側(cè)有功功率曲線與變流器網(wǎng)側(cè)有功功率曲線大致一致，也驗證了功率守恒定律。 圖 511 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時風(fēng)電機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 由 圖 511 可見，定子側(cè)最開始向電網(wǎng)輸出有功功率，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，輸出的有功功率逐漸增大，在轉(zhuǎn)速為 時，有功功率瞬時升高到額定值。 s p c u r v e 39。此模型 的 轉(zhuǎn)速范圍是 r/min~~ r/min. 2) 恒 ? 控制 轉(zhuǎn)速達(dá)到極限，功率未達(dá)到額定功率時進(jìn)入恒 ? 控制階段，勵磁控制使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不再上升 ,而輸出功率依然增加。 （ 3） 欠功率運(yùn)行狀態(tài)：（最大風(fēng)能捕獲階段） 1) 恒 PC 控制 風(fēng)速低于額定轉(zhuǎn)速，槳距角調(diào)整至 3176。并網(wǎng)前首先起動網(wǎng)側(cè)變流器調(diào)制單元給直流母線預(yù)充電，接著起動電機(jī)側(cè)變流器調(diào)制單元并檢測機(jī) 組轉(zhuǎn)速，同時追蹤電網(wǎng)電壓、電流波形與相位。 （ 2） 機(jī)組并網(wǎng)過程：（并網(wǎng)控制） 控制機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，通過合閘開關(guān)將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)過程。 ]Electrical power [W]H u b w i n d s p e e d [ m / s ]02 0 0 0 0 04 0 0 0 0 06 0 0 0 0 08 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 2 0 0 0 0 01 4 0 0 0 0 01 6 0 0 0 0 01 8 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 02 2 0 0 0 0 04 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 圖 510 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率 轉(zhuǎn)速曲線 （ 1） 機(jī)組自起動過程：（升轉(zhuǎn)速過程） 控制槳 距角以控制轉(zhuǎn)速風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速并保持一定時間，風(fēng)電機(jī)組解除制動裝置，由停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入起動狀態(tài)。 圖 59 2MW 永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最大功率捕獲曲線 f : \ b i s h e [ R u n 39。當(dāng)風(fēng)速變化時只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,使葉尖速比始終保持在最佳葉尖速比 ? ,就可以始終保持風(fēng)能捕獲最大化 ,從而實現(xiàn)最大功率追蹤。對于一臺確定的風(fēng)力機(jī) ,當(dāng)槳距角 ? 確定時 ,總存在一個最佳葉尖速比 ? 對應(yīng)著一個最大風(fēng)能利用系數(shù) maxPC ,此時風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最高。 圖 58 葉尖速比 ? 與風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù) PC 關(guān)系曲線 因此風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩可以用 PC 模型表示為： ? ? 23 5wt ,21 ?????? ? ???? RCPT pwt 在風(fēng)速給定的情況下 ,風(fēng)輪捕獲的功率將取決于風(fēng)能利用系數(shù) PC ,因此只要維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)都能在 maxPC 點(diǎn)運(yùn)行 ,便可達(dá)到風(fēng)能捕捉最大化。 圖 57 Preliminary Electrical Data 參數(shù)的定義與設(shè)置 當(dāng)設(shè)定的參數(shù)完畢并符合要求時，模塊右側(cè)的黃燈會變成綠燈，此時便可以對風(fēng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的有功無功功率的輸出進(jìn)行計算。 55 IGBT Converter 的參數(shù)定義與設(shè)置 在 Calculation Parameters 模塊中需要設(shè)置與定義參數(shù)包括發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩等等，具體參數(shù)的設(shè)置如下圖 56所示 。具體設(shè)置頁面如下圖 54所示。 圖 52 Bladed 軟件電氣部分設(shè)置的主操作界面 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的計算主要是在 Bladed 軟件中“ Steady Calculations”中的“ Electrical Performance”模塊來進(jìn)行的 ，實際計算界面如圖 53 所示 。計算內(nèi)容包括功率、載荷等各項參數(shù)。打開 Bladed 后， Bladed 的主操作界面如圖 51 所示 ： 圖 51 Bladed 的主操作界面 在上圖的界面中，可以在帶有風(fēng)電機(jī)各個組件圖片的模塊中對風(fēng)電機(jī)組各個部分的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置在軟件中的 Power Train 模塊 中的Preliminary Electrical Data，實際界面如圖 46 所示。變流器簡化功率模型如 圖 45 所示。其中機(jī)側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接相連，可以保證轉(zhuǎn)速在一個很大的范圍內(nèi)加以調(diào)整；網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)母線相連，將有功功率送入電網(wǎng)并消除 無功功率的損耗 。 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置在軟件中的 Power Train 模塊 中的Electrical，實際 操作 界面如圖 44 所示。 電壓方程： sqesdssdsd iRdtdU ??? ??? sdesqssqsq iRdtdU ??? ??? 電磁轉(zhuǎn)矩方程為： ）( sdsqsqsde iipT ?? ?? 通過上述公式可以看出， 永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子 q 軸電流成正比， 調(diào)節(jié)電流即可調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩， 從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速， 使永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)達(dá)到最佳輸出狀態(tài)。 圖 43 Bladed 軟件上傳動鏈模型參數(shù)設(shè)置 實際操作界面 永磁同步發(fā)電機(jī)模型 為了分析永磁同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)性能， 取永磁體轉(zhuǎn)自極中心線為 d 軸， 沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90176。傳動鏈的結(jié)構(gòu)很大程度上取決于不同的風(fēng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，對于直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組來說，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)經(jīng)過傳動軸直接相連，由于本文的建模目的并不重點(diǎn)關(guān)注傳動軸的詳細(xì)特性，因此本文采用最簡單的傳動鏈單質(zhì)量塊模型，但這個模型能夠反映變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本動態(tài)特性 ： ewt TTdtd ???eqJ 式中， eqJ —— 風(fēng)電機(jī)組等效轉(zhuǎn)動慣量，由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，故也可近似等于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量； ? —— 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，等于發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度； wtT —— 風(fēng)輪的氣動切向轉(zhuǎn)矩； eT —— 發(fā)電機(jī)電磁力矩。 a) b) c) 圖 42 Bladed 軟件上 風(fēng)力機(jī)模型參數(shù)設(shè)置 實際操作界面 本文采用的 2MW 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型參數(shù)具體如表 41 所示。 圖 41 Bladed 軟件上風(fēng)速模型參數(shù)設(shè)置實際操作界面 風(fēng)力機(jī)模型 根據(jù)貝茲 定理，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能不但與風(fēng)速的立方成正比，還與風(fēng)輪葉片的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)系，此外研究表明，與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)也有一定的關(guān)系。 ? ?? ?? ?? ? ???????????????????????RRRRRRRrRRTTtTTtTRTtTVTtV2222110max0 其中， ? ? ? ?? ?RRRr TTTtRV 212 /1max ???? （ 4） 隨機(jī)風(fēng)： 描述在特定高度上風(fēng)速變化的隨機(jī)特性。 )11( kAv B ??? （ 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。 還有的控制策略是對雙 PWM 變換器中 PWM 整流器部分的獨(dú)立控制，雖然單方面提高了網(wǎng)側(cè)的動態(tài)響應(yīng)速度，但是沒有對整個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào) 全面 考慮 。一般通過增加中間電容容量 的方式來抑制，但是較大的中間電容不僅降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且增加了系統(tǒng)的體積和成本。本文研究的內(nèi)容就是采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過 PWM 技術(shù)可以方便快捷的得到控制策略所需的電流波形，同時能夠很好的 控制諧波的產(chǎn)生，而且能夠在發(fā)出、吸收無功和發(fā)出、吸收有功這四種工作狀態(tài)之間運(yùn)行，這也使發(fā)電機(jī)的控制變得非常靈活，可以采用更多的先進(jìn)控制策略來提高系統(tǒng)的性能。但是由于不可控整流環(huán)節(jié)的存在，還是會引起永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生定子諧波、轉(zhuǎn)矩脈動等問題。相對第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在直流環(huán)節(jié)加入了 BOOST 升壓電路，使得直流環(huán)節(jié)的電壓更加穩(wěn)定， PWM 電壓源型變換器的輸入輸出也更加穩(wěn)定。而且 PWM 電壓源型變換器能夠根據(jù)要求靈活的調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。 （ 2） 二極管不可控整流加上 PWM 電壓源型變換器。這種方法，由于采用不可控 整流，永磁同步發(fā)電機(jī)缺乏靈活的控制，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時容易造成功率因數(shù) 低下，發(fā)電機(jī)定子諧波大和轉(zhuǎn)矩脈動變化大等問題。 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要將 頻率變化的電流轉(zhuǎn)換為頻率等于電網(wǎng)頻率的 電流，然后并入電網(wǎng)，因此永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)更多的關(guān)鍵技術(shù)在于變流器的設(shè)計與控制，根據(jù)容量大小與適用情況的不同，變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不同 ，如圖 32所示，主要分為四種結(jié)構(gòu)。 （ 4） 所需備件及消耗材料較少 ： 采用無齒輪 箱 直驅(qū)技術(shù)可減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件 的數(shù)量，避免齒輪箱油 定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。同時，機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)部件較少，可靠性更高。 相比較傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)而言 ,直驅(qū)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 發(fā)電效率高： 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為葉輪直接驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，無需電勵磁，減少了電能損耗；沒有齒輪箱等中間部件，傳動鏈短，減少了傳動損耗，提高了發(fā)電效率，在低風(fēng)速環(huán)境下運(yùn)行效率更高。 由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性， n 也不是穩(wěn)定的數(shù)值，這時，定子交流感應(yīng)電動勢經(jīng)由與定子相連的四象限背靠背雙 PWM 全功率變流器整流轉(zhuǎn)為直流電，最后通過逆變器轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率、相位、電壓一致的交流電并入電網(wǎng)。 直驅(qū)式風(fēng)力運(yùn)行發(fā)電原理 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)的動能 直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)采用的方式 就是所謂的直驅(qū)式 。其基本原理是首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電 ,再經(jīng)整流之后變?yōu)榻涣?,然后經(jīng)逆變器變換為三相頻率恒定的交流電送入電網(wǎng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖 31所示： 圖 31 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要部件結(jié)構(gòu)圖 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接藕合 ,所以發(fā)電機(jī)的輸出端電壓、頻率隨來流風(fēng)速的變化而變化。因此，適用于低風(fēng)速的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對我國具有更加重要的意義。變速恒頻風(fēng)電技術(shù)其受到的風(fēng)速限制 范圍 小，發(fā)電效率比恒速恒頻風(fēng)機(jī)能提高 5%到 10%，低電壓穿越能力優(yōu)越，