【正文】 系數(shù),是對應(yīng)的電流比例系數(shù)。 控制系統(tǒng)為使風(fēng)力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制。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。2) 發(fā)電機側(cè)變流器由自關(guān)斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構(gòu)成的AC/D變流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。4) 網(wǎng)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件構(gòu)成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補償電網(wǎng)功率因數(shù)。其中2～4可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。 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。為此，必須研究風(fēng)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲運行的控制機理和控制方法。而風(fēng)能利用系數(shù)一 (葉尖速比)關(guān)系的葉尖速比可表示為： （）式中——風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)速(Rad／s) ——葉片半徑(m) ——迎面風(fēng)速()由上可知，在為某一個特定值時對應(yīng)一個最大的，但是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機幾乎不變，而風(fēng)速是不斷變化的，所以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機總是工作于低效狀態(tài)。這就是變速恒頻技術(shù)的優(yōu)勢所在。 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)。對一般線性最優(yōu)控制系統(tǒng)： （） 式中：為階矩陣；為階矩陣。對線性最優(yōu)控制求解問題主要有變分法和極大值原理，如果性能指標采用二次型性能指標： （）其中：、分別為狀態(tài)量與控制量的權(quán)矩陣，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問題。因此，如何恰當?shù)剡x擇權(quán)陣是線性最優(yōu)控制設(shè)計中需注意的問題。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。相對恒速風(fēng)力發(fā)電機組，變速風(fēng)力機雖然可以增加風(fēng)能捕獲功率，但通常需要一個等容量的功率變換器相匹配，大大增加機組的制造成本?；贛PPT的風(fēng)速估計器及最大效率點跟蹤的研究模型，設(shè)計最優(yōu)控制器，可以優(yōu)化無刷雙饋變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。將最優(yōu)控制應(yīng)用于定子磁場定向、高效全控型雙饋風(fēng)力發(fā)電機中，電機定、轉(zhuǎn)子邊各有一套全控型功率變換器，控制定轉(zhuǎn)子的電壓及頻率，使發(fā)電機工作在弱磁風(fēng)狀態(tài)下。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。對于獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可采用一類可調(diào)阻抗一濾波器方法，在線調(diào)節(jié)三相可控硅的觸發(fā)角，穩(wěn)定母線電壓并保證風(fēng)能系統(tǒng)在陣風(fēng)及負載變化時獲得最大風(fēng)能利用。仿真結(jié)果表明：可獲得較好的功率品質(zhì)，但由于在各個運行點進行線性化處理時略去了高次項，導(dǎo)致過分嚴格的性能指標要求，使控制器之間的切換過于頻繁，槳葉應(yīng)力較大，疲勞負載也較嚴重，這類現(xiàn)象需引起足夠的重視。而為實現(xiàn)陣風(fēng)和電力系統(tǒng)大擾動情況下的輸出功率和電壓的快速平穩(wěn)跟蹤，可以采用靜態(tài)VAR補償器調(diào)節(jié)異步發(fā)電機輸出電壓和采用變漿距機構(gòu)調(diào)節(jié)機械輸入功率的方法：結(jié)合極大值控制和自適應(yīng)控制理論，采用改進的 Krsitc 方法進行風(fēng)輪槳距角控制設(shè)計，也可獲得最大輸出功率跟蹤，且可獲得全局最優(yōu)化。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。傳統(tǒng)的風(fēng)力機組控制通常具有多環(huán)結(jié)構(gòu)形式，通過動態(tài)補償器反饋電壓誤差及轉(zhuǎn)速以獲得電壓調(diào)節(jié)，通過電功率誤差的PI反饋(槳距控制)及轉(zhuǎn)速反饋獲得功率凋節(jié)，兩類控制有大致相同的帶寬。為解決這些問題，采用一類積分型輸出反饋調(diào)節(jié)器聯(lián)動控制槳距角和勵磁電壓，次最優(yōu)調(diào)節(jié)風(fēng)力機組的輸出功率和端電壓?；谌嵝越Y(jié)構(gòu)風(fēng)機模型的分析，研究偏航控制對塔身彎曲尤其側(cè)向彎曲的影響，類似于裝置有彈簧和阻尼器的懸掛系統(tǒng)或PD控制器，以偏航角及偏航速度為控制變量的周期性時變 LQ 偏航控制器能夠獲得同樣的側(cè)向阻尼，可有效降低塔身扭矩，但控制代價卻僅相當于 PD 控制器的10％ 以內(nèi)?，F(xiàn)代風(fēng)機研究和制造的一個重要目標就是降低單位發(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。偏航控制中運用 LQ 最優(yōu)控制理論，可降低風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)性動態(tài)負載。2. 槳矩控制抑制塔身扭矩和傳動鏈應(yīng)力為減小轉(zhuǎn)子應(yīng)力、槳葉和塔身的顫震、功率振蕩、改善陣風(fēng)響應(yīng)，運用 LQG 最優(yōu)控制理論設(shè)計一個全狀態(tài)周期性的槳距控制器，系統(tǒng)狀態(tài)方程是軸轉(zhuǎn)子角的周期性函數(shù)。但此類方法所有仿真均建立在狀態(tài)反饋基礎(chǔ)上，從實現(xiàn)的觀點看是不實用的，需要用輸出反饋重新評價。以端電壓和電功率的最小偏差和積分為目標得到最優(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)。在控制系統(tǒng)設(shè)計、研究及性能分析中使用了三種風(fēng)的模型，但是否考慮測量噪聲仍不明確，每一方案所引起的結(jié)構(gòu)負載問題也沒有提到。這類系統(tǒng)雖然能降低成本，但同時也導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率數(shù)值較低，可能會出現(xiàn)在閉環(huán)運行的頻帶中：應(yīng)用系統(tǒng)辨識法描述變速定槳距異步風(fēng)能系統(tǒng)的模型，比較六種不同的線性與非線性控制方案 ，進行大范圍的頻域和時域分析，可獲得較為滿意的結(jié)果。將 LQG 控制應(yīng)用于可變槳距恒速水平軸風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)槳距保證輸出功率維持在額定值附近．該控制器僅在額定風(fēng)速以上起作用，且無開關(guān)暫態(tài)：通過實際風(fēng)機模型的非線性模擬，測試并驗證了陣風(fēng)情況下控制系統(tǒng)的性能。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。但由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)非線性，自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的隨機性、間歇性、湍流以及風(fēng)機的尾流效應(yīng)，不確定因素很多，而最優(yōu)控制的實現(xiàn)必須有一個精確數(shù)學(xué)模型為控制器設(shè)計基礎(chǔ)．這對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未免要求過高，將最優(yōu)控制策略與其它控制方法，如與模糊邏輯控制、魯棒控制方法結(jié)合起束的混合控制技術(shù)，可有效解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各類關(guān)鍵控制問題：提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、改善電能品質(zhì)、減小柔性風(fēng)電系統(tǒng)傳動鏈上的疲勞負載等。第3章 風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計 概述[11]風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種：同步發(fā)電機和異步發(fā)電機，而采用最多的是三相異步發(fā)電機。異步發(fā)電機并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將發(fā)電機的轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。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。所以本次設(shè)計采用異步發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機的定子由定子鐵心，定子繞組和機座三部分組成。容量較大的電動機，硅鋼片兩面涂以絕緣漆作為片間絕緣。在定子鐵心內(nèi)圓，均勻地沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。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。大型高壓感應(yīng)電機都用開口槽，以便嵌線。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形?；\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?；\型電機結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，是一種經(jīng)濟，耐用的電機，所以應(yīng)用極為廣泛。這種轉(zhuǎn)子的特點是，可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外加電阻，以改善電動機的起動和調(diào)速性能。為減少電流，提高電機的功率因數(shù)，異步電動機的氣隙選得較小，中、～2mm。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”。當異步電機的負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負載的需要。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時（ns＞n＞0）,轉(zhuǎn)差率0＜s＜，按右手定則，即可確定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體“切割”氣隙磁場后感應(yīng)電動勢的方向。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與氣隙磁場相互作用，將產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。 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。為使轉(zhuǎn)子持續(xù)地以高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩；此時轉(zhuǎn)子從原動機輸入機械功率，通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體“切割”氣隙磁場的相對速度方向與電動機狀態(tài)時相同，幫轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢和電流的有功分量與電動機狀態(tài)時同方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向亦相同。此時電機處于電磁制動狀態(tài)，它一方面從外界輸入機警功率，同時又從電網(wǎng)吸取電功率，兩者都變成電機內(nèi)部的損耗。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。自激異步發(fā)電機運行使，端電壓和頻率隨負載而變，為維持電壓和頻率恒定，除對源原動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外，還須根據(jù)負載的性質(zhì)和大小隨時調(diào)節(jié)所并聯(lián)的電容器。為解決以上問題，不僅要在控制方面改進，而且首先從電機的設(shè)計開始分析。但在設(shè)計上家兩者還是以后有區(qū)別的。而異步發(fā)電機的應(yīng)用遠不如異步電動機那么普遍。，由于定子電流相位不同，使各量有所差別。這樣在發(fā)電狀態(tài)時，其滿載系數(shù)（）比作電動狀態(tài)時大。當一臺異步電動機作為發(fā)電機運行時，由于滿載電勢增加，電機飽和度提高，一是使電機所需的激磁電流激增，在并網(wǎng)運行時，從電網(wǎng)吸收大量滯后的無功電流，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低；在自激運行時，則必須大量的電容器，以滿足所需的無功電流。二是鐵耗增加。第二：異步電機在電動機運行時，和的夾角小，而作為發(fā)電機運行時要大一些。在發(fā)電機設(shè)計中，這些都應(yīng)重新計算，以免引起較大的誤差。但異步電動機與異步發(fā)電機是有差異的，故不能直接引用而必須重新分析計算。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。另外，在設(shè)計過程中還要注意適當提高發(fā)電機的過載能力和功率因數(shù)，在保護線路上也要采取措施。 （此值與31項中假定值相符，否則重新假定并計算31～43項中有關(guān)各量，要求精確誤差部大于） 44. 總磁壓降 ＝ + + + + = 45. 滿載磁化電流 ＝ = A46. 滿載磁化電流表么值 ＝ =47. 勵磁電抗表么值 ＝ 參數(shù)計算 48. 線圈平均半匝長（見圖附2） 定子線圈節(jié)距 ＝= m 平均半匝長（單層線圈）＝＝ m 式中 是經(jīng)驗系數(shù)， 。 ＝ 56. 轉(zhuǎn)子槽漏抗 ＝ 無徑向通風(fēng)道時 ＝57. 轉(zhuǎn)子諧波漏抗 ＝（） ＝58. 轉(zhuǎn)子端部漏抗 ==59. 轉(zhuǎn)子斜槽漏抗 ＝60. 轉(zhuǎn)子漏抗 ＝(+++)==61. 總漏抗 ＝+=62. 定子直流電阻 ＝ 式中：對級絕緣——鋁的為 銅的為 63. 定子相電阻表么值 ＝ 64. 有效材料 定子導(dǎo)線重量 ＝ Kg 式中 C為考慮導(dǎo)線絕緣和引線重量的系數(shù)，為導(dǎo)線密度，鋁為。 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么值 ＝=67. 滿載時轉(zhuǎn)子電流無功分量標么 ＝ ＝=68. 滿載時定子電流無功分量標么值 ＝+ =69. 滿載電勢標么值 ＝ 此值與28項中假設(shè)值相符。以前只是理論上的知識，經(jīng)過這次大型的畢業(yè)設(shè)計，第一次讓我學(xué)會了如何單獨完成設(shè)計任務(wù)、查找資料。它來不得半點虛假，它要求我們一步一個腳印地做好每一步工作。因此，剛開始拿到課題的時候不知如何下手，腦子也是一片空白。在作了大量的準備工作之后，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，計算出的各項指標均符合要求。但看到我自己的工作結(jié)果。我相信只要有付出就會有回報。懂得了做學(xué)問一定要沉下心來認真做。參考文獻[1] [M].北京：，264～277[2] 秦曉平，王克成．異步電動機的雙饋調(diào)速和串級調(diào)速[M].北京：,122～143[3] 湯蘊繆，[M].北京：，141～143[4] [J].電機技術(shù),1996，（3）：122～135[5] ：化學(xué)工業(yè)出版社. 2004，3～7