畢業(yè)論文--直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組交流變槳控制系統(tǒng)的研究

1、<p>　　HUNAN UNIVERSITY</p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　20 年 月 日</p><p>　論文題目直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組交流 </p><p>　變漿控制系統(tǒng)的設(shè)計

2、 </p><p>　學生姓名</p><p>　學生學號</p><p>　專業(yè)班級電氣工程及其自動化2班</p><p>　學院名稱電氣與信息工程學院</p><p>　指導(dǎo)老師</p><p>　學院院長</p><p><b>　　

3、湖 南 大 學</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在老師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后

4、果由本人承擔。</p><p>　　學生簽名：日期：20 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本畢業(yè)論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以

5、采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。</p><p><b>　　本論文屬于</b></p><p>　　1、保密 ，在______年解密后適用本授權(quán)書。</p><p><b>　　2、不保密√。</b></p><p>　?。ㄕ堅谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）</p>&l

6、t;p>　　學 生簽名：日期：2015 年 月 日</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：日期：2015 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　能源資源是能源發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類發(fā)展不可缺少的。新中國以來，我國不斷加大對能源的勘察力度，同時開展了多次資源評

7、價和能源結(jié)構(gòu)的探討。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是中國發(fā)展面臨的重要任務(wù)之一，也是保證中國能源安全的重要組成部分。調(diào)整中國能源結(jié)構(gòu)就是要減少能源資源的需求和消費，降低對國際石油的依賴，大力發(fā)展新能源和可再生能源，其中風力就是一種無污染、低成本的可再生能源。風能的這些特點收到了是世界各國能源組織的高度關(guān)注。除此之外風能還有能量密度低，隨機性和不穩(wěn)定的特點，這就對風力的收集和利用加大了難度。本論文就風力發(fā)電機組的變槳距系統(tǒng)做出了研究本論文的內(nèi)容可劃分為三個

8、部分： </p><p>　　首先，對本課題的研究背景及現(xiàn)狀進行了充分調(diào)研，從風力發(fā)電的意義入手，介紹了國內(nèi)、外風力發(fā)電的概況以及本課題的來源。論文介紹了風力發(fā)電機組的三種類型，以及雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)和直驅(qū)式發(fā)電機組。這些現(xiàn)狀分析為本課題研究的方向奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　其次，從變槳距風機空氣動力學進行研究，得出變槳距變速恒頻控制的理論基礎(chǔ)，對變槳距結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算并將現(xiàn)代控

9、制理論應(yīng)用在風力發(fā)電系統(tǒng)中。介紹了風力發(fā)電機的三種運行狀態(tài)，同時還介紹了傳統(tǒng)的控制方法，也介紹了現(xiàn)代的控制方法：變結(jié)構(gòu)控制、在模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制。</p><p>　　最后，建立風力機的模型，永磁同步發(fā)電機組的模型，進行建模分析得出結(jié)果，將統(tǒng)一變漿系統(tǒng)的結(jié)果和獨立變漿系統(tǒng)的結(jié)果相比較。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng)；變槳距控制；獨立變漿系統(tǒng)；統(tǒng)一變漿系

10、統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Energy resources are the basis of energy development, and it is indispensable for human development.. Since the new China, China has continuo

11、usly increased the energy exploration, and has carried out many times and energy structure of the evaluation and exploration. The adjustment of the energy structure is one of the important tasks in the development o

12、f China, and is also an important part of China's energy security.. China's energy structure adjustment is to reduce the demand and consumption </p><p>　　First, the background and the status of

13、the research, the significance of wind power generation, the domestic and foreign wind power generation and the source of this paper is introduced.. Three types of wind turbine are introduced in this paper, as well

14、as the doubly fed generator and direct drive generator set.. These present situation analysis has laid the foundation for this research direction..</p><p>　　Secondly, from the variable pitch wind turbin

15、e aerodynamics research that variable pitch control of variable speed constant frequency (VSCF) the theoretical basis, to pitch from the structure design and calculation and application of modern control theory in the wi

16、nd power generation system. Introduced the three kinds of operating state of wind power generator, and also introduced the traditional control method, also introduces the modern control methods: variable structure c

17、ontrol, fuzzy contro</p><p>　　Finally, the model of the wind turbine, the model of permanent magnet synchronous generator set, and the results of the modeling analysis are obtained. The results of the unifie

18、d slurry system and the results of the independent slurry system are compared..</p><p>　　Key words: wind power generation system variable pitch control independent variable pitch system and uniform slurry sy

19、stem</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　學位論文原創(chuàng)性聲明和學位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　摘要...............................................................Ⅰ</p><p>　　Abstract........

20、...................................................Ⅰ</p><p>　　緒論.........................................................1</p><p>　　1.1風力發(fā)電概述..................................................1&l

21、t;/p><p>　　1.1.1風力發(fā)電的意義與前景......................................1</p><p>　　1.1.2世界風力發(fā)電現(xiàn)狀..........................................2</p><p>　　1.1.3我國的風力發(fā)電情況.............................

22、........2 1.2 風力發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展............................................4</p><p>　　1.2.1風力發(fā)電機組的主要類型....................................4</p><p>　　1.2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....................................

23、.....4</p><p>　　1.2.2.1雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)....................................5</p><p>　　1.2.2.2直驅(qū)式發(fā)電機組系統(tǒng)....................................7</p><p>　　1.3．風力發(fā)電機組的控制技術(shù)........................

24、...............8</p><p>　　1.3.1 傳統(tǒng)控制方法.............................................8</p><p>　　1.3.2現(xiàn)代控制方法..............................................8</p><p>　　1.3.2.1 變結(jié)構(gòu)控制......

25、.....................................8</p><p>　　1.3.2.2魯棒控制..............................................8</p><p>　　1.3.2.3自適應(yīng)控制............................................9</p><p>

26、　　1.3.2.4模糊控制..............................................9</p><p>　　1.3.2.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制..........................................9</p><p>　　1.4.論文的主要研究內(nèi)容..........................................9&l

27、t;/p><p>　　第2章 風力機變槳距調(diào)節(jié)原理........................................10</p><p>　　2.1 風力發(fā)電空氣動力學基礎(chǔ)......................................10</p><p>　　2.1.1 風能的計算...............................

28、...............10</p><p>　　2.2葉素理論.....................................................13</p><p>　　2.3槳距角的控制.................................................14</p><p>　　2.2.1 風力機的變漿

29、距控制原理..................................14</p><p>　　2.4變槳距風力發(fā)電機的運行狀態(tài)...................................15</p><p>　　2.4.1 啟動狀態(tài)...............................................15</p><p>

30、;　　2.4.2 欠功率狀態(tài)............................................15</p><p>　　2.4.3 額定功率狀態(tài)...........................................16</p><p>　　2.5本章小結(jié)...............................................

31、......17</p><p>　　直驅(qū)永磁風力發(fā)電機系統(tǒng)建模...................................17</p><p>　　3.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).................................17</p><p>　　3.2變槳系統(tǒng)..................................

32、...................17</p><p>　　3.3 風力機模型..................................................18</p><p>　　3.4永磁同步發(fā)電機模型...........................................18</p><p>　　3.5 統(tǒng)一變槳距的模糊

33、PID 功率控制器設(shè)計..........................20</p><p>　　3.6 統(tǒng)一變槳距功率控制仿真......................................21</p><p>　　3.7 獨立變槳距控制仿真及結(jié)果分析................................23</p><p>　　3.8 統(tǒng)

34、一變槳與獨立變槳控制結(jié)果比較..............................24</p><p>　　3.9本章小結(jié).....................................................24</p><p>　　結(jié)論...............................................................2

35、5</p><p>　　參考文獻...........................................................25</p><p>　　致謝...............................................................25</p><p><b>　　第1章 緒論<

36、;/b></p><p><b>　　1.1風力發(fā)電概述</b></p><p>　　1.1.1風力發(fā)電的意義與前景</p><p>　　風能是自然產(chǎn)生的取之不盡、用之不不竭而又不會產(chǎn)生任何污染的可再生資源。它因空氣流動做功而提供給人類的一種可利用的能量，因此被人們廣泛應(yīng)用。由于科學水平的進步，和風能自身清潔、環(huán)保的特點，風能被應(yīng)用到發(fā)電

37、行業(yè)。早在很久以前它就被人們稱為“藍天白煤”。</p><p>　　人類對于風能的利用始于很久以前，最早可追溯到公元前3000年，可以說人類對于風能的利用與關(guān)注從那時就開始了，而真正將風能用于發(fā)電是在19世紀。丹麥建成了世界上第一個風力發(fā)電裝置。但在其后的一段時間，世界處在對煤、石油的開采的滿足下，加上技術(shù)的不成熟，風能發(fā)電并沒有得到及時的發(fā)展。</p><p>　　受1973年世界范圍內(nèi)

38、的石油危機和空氣動力學理論的發(fā)展的影響，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，人們開始重新審視，再次將視覺轉(zhuǎn)向風力。風電以其自身獨有的優(yōu)點，作為新能源的一部分才重新有了新的快速的發(fā)展。因此風能發(fā)電設(shè)施日趨進步，大量的生產(chǎn)降低了成本，風力發(fā)電也被普遍應(yīng)用。從1981年到1992年發(fā)電量的增長率就達到了13%。到2008年，全球以風力產(chǎn)生的電力約有 94.1 百萬千瓦，這已超過全世界用電量的1%。風能雖然對大多數(shù)國家而言還不是主要的

39、能源，但在1999年到2005年之間已經(jīng)成長了四倍以上。而目前風電保持著30%每年的增長率，大有與其他發(fā)電行業(yè)相媲美的趨勢。</p><p>　　目前發(fā)電成本已接近常規(guī)發(fā)電方式，風電規(guī)模也受國家政策及能源發(fā)展趨勢的影響高速擴大，風電技術(shù)得到明顯提高。在2003年底，我國就已建成并網(wǎng)型風電場40座，累計運行風力發(fā)電機組1042臺，總?cè)萘窟_567.02MW，世界各地的風電場更是數(shù)不勝數(shù)。雖說我國的風電技術(shù)有明顯提高，

40、但較之世界發(fā)展水平就遠遠落后，特別是一些發(fā)達國家。我國一些風機依賴于國外進口或者與外商合作生產(chǎn)，現(xiàn)在生產(chǎn)的最大風電機組功率接近1000千瓦，國際主流機型兆瓦級風電設(shè)備在我國僅僅處于研發(fā)階段。這說明風電在我國還有非常廣闊的發(fā)展空間。</p><p>　　我國是世界上風能最為豐富的國家之一，世界風能也極為豐富，近乎無盡。因此風力發(fā)電對于我乃至全球都具有十分廣闊的發(fā)展前景。首先，風能無污染，可再生，而且資源豐富。風電的

41、發(fā)展具有重大的意義。其次，過去幾十年經(jīng)濟的高速發(fā)展，致使環(huán)境受到嚴重的污染。目前減少二氧化碳排放成為世界關(guān)心并要求共同實現(xiàn)的目標，因此具有節(jié)能減排特征的風能的應(yīng)用成為近來能源發(fā)展的方向。</p><p>　　風電的發(fā)展不僅與大氣環(huán)境相適應(yīng)，與國家經(jīng)濟、世界安全也是分不開的。一直以來風電的發(fā)展都受到世界經(jīng)濟和其他能源的重大影響。就目前而言，風力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟的、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。

42、隨著風輪機的大型化、高效化，風力發(fā)電的成本在不斷下降，風電價格已能與石油、煤、天然氣這些不可再生能源發(fā)電及核能競價。風能自身可再生性，經(jīng)濟性，豐富性優(yōu)勢得到極大體現(xiàn)。而且在賦稅方面還受到國家的優(yōu)惠，假以時日，風電極有可能能與水電一比高低。</p><p>　　21世紀是高效、潔凈、安全、經(jīng)濟可持續(xù)利用能源的時代，世界各國都在向此方向發(fā)展，都把能源的利用作為科研領(lǐng)域的關(guān)鍵允以關(guān)注。而通過歷史的篩選，及近年來全球新能

43、源的發(fā)展動向，我們可以看出風能將成為能源開發(fā)的重要角色，而風電也將隨之得到極大的發(fā)展。</p><p>　　1.1.2世界風力發(fā)電現(xiàn)狀</p><p>　　世界上第一個風力發(fā)電的國家是丹麥，丹麥在1890年制造了第一個風力發(fā)電機，一個多世紀以來，世界各國也加大對風力設(shè)備的研究力度，風能之所以如此受歡迎的主要原因是： </p><p>　　1）開發(fā)利用可再生能源是落實

44、科學發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求。充足、安全、清潔的能源供應(yīng)是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基本保障。從根本 上解決我國的能源問題，不斷滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，保護環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，也是落實科學發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會的基本要求。</p><p>　　2）風能的成本與水電，火電相比下較低，維護也較簡單。</p><p>　　風力是一種潔凈的自然能源，其運行與維護成本均

45、很低廉, 同時不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。</p><p>　　從丹麥建立第一個風力發(fā)電機開始，截至1910年，已經(jīng)有幾百臺5-25kw的風力發(fā)電機組在丹麥運行，同年美國荷蘭等國家也都有風力發(fā)電機組的運行。1997年末，全世界約有7816mw的風力發(fā)電得到了利用。其中歐洲的風力發(fā)電為4774mw，美洲為1680mw，亞洲為1107mw，其他地區(qū)為250mw以上。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，在2001年到2005年的5年期間，全世界

46、的新增風力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量約為3900mw。2007年，全球風能發(fā)電新增裝機容量超過了20GW。這也是全球新增風能裝機總?cè)萘縿?chuàng)記錄的一年。</p><p>　　1.1.3我國的風力發(fā)電情況</p><p>　　中國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，風能資源豐富。風能資源取決于風能密度和可利用的風能年累積小時數(shù)。并且風能資源受地形的影響較大。根據(jù)全國900多個氣象站將陸地上

47、離地10m高度資料進行估算，得出中國風能功率密度平均可以的達到為每平方米100w。我國風能豐富，其資源總儲量達到了32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW，近海能利用的風能儲量有7.5億kW，共計約10億kW，是一個十分豐富的潛在能源庫，在中國未來的發(fā)展當中肯定將是一個巨大的幫助。</p><p><b>　　圖1 </b></p><p>　　

48、我國的風能資源分布廣泛，風能資源的分布與天氣氣候有著十分密切的關(guān)系，我國風能資源的發(fā)布從上圖可以清楚的看出，風能資源可以分為豐富地區(qū)和較豐富地區(qū)兩個大帶里。</p><p>　　三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶，風能資源功率密度在每平方米200w到300w之間。其中個別地區(qū)風能更為豐富，例如：達坂城、阿拉山口等其風能功率密度可達到每平方米500w，可利用小時在5000小時以上。造成這個現(xiàn)象的主要原因是三北處于中

49、高緯度地區(qū)?！　　　?）沿海及其島嶼地區(qū)風能資源豐富，其形成的主要天氣氣候背景與三北地區(qū)基本相同，所不同的是海洋與大陸兩種截然不同的物質(zhì)所形成的。沿海及其島嶼地區(qū)風能功率密度是每平方米200w以上。其中東山、大陳、馬公等地區(qū)風能功率密度更是達到了每平方米500w，可利用小時數(shù)約為7000-8000小時。</p><p>　　我國風能分布區(qū)及占全國面積的百分比</p><p>　　太陽輻射

50、到地球的能量約有2%轉(zhuǎn)化成了風能，我國潛在風能的估算：風能總儲量為32.26億kw，實際開發(fā)10%，并且考慮到風輪實際掃略面積為計算面積的0.785倍，所以實際可開發(fā)量為2.53億kw?！　　　?lt;/p><p>　　1.2 風力發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　風力發(fā)電技術(shù)涉及自動控制、空氣動力學、電機學、力學、機械學、材料學等多門學科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。風力發(fā)電就是將風能轉(zhuǎn)化

51、為機械能進而再轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)完成風能向機械能的轉(zhuǎn)化；電機及其控制系統(tǒng)完成機械能向電能的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　1.2.1風力發(fā)電機組的主要類型</p><p>　　風力發(fā)電的主流機型有三種：和基于變速恒頻技術(shù)的變速型機組。風力發(fā)電機組基本的技術(shù)特征主要是水平軸、上風式三葉片風機。隨著風力發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展，變速型風力發(fā)電機已經(jīng)成為兆瓦級風力發(fā)電機的主流機型

52、，其特點是在變距風力發(fā)電機的基礎(chǔ)上，采用了轉(zhuǎn)速可在大范圍變化的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機或者同步電機及其相應(yīng)的電力電子技術(shù)，通過對最佳葉尖速比的跟蹤，使風力發(fā)電機組所在的風速下可以獲得最佳的功率輸出。</p><p>　　1.2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　大型風力發(fā)電機組的發(fā)展已經(jīng)越來越迅速，單機容量也越來越大，并且已經(jīng)從恒速恒頻發(fā)電技術(shù)過渡到了變速變頻發(fā)電技術(shù)，機組也是越來越可靠

53、，維護量也越來越小兆瓦級變速風力發(fā)電機有很多，可分為兩類：1）應(yīng)用最廣泛的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)，2）具有良好應(yīng)用前景的變速恒頻直驅(qū)型風力發(fā)電機組。</p><p>　　1.2.2.1雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)</p><p>　　雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的主要是由風力機、雙向變頻器、增速箱、雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)和控制器等組成的。其中雙饋電機必須要配合變頻器使用。雙饋發(fā)電機的定子之所以能實現(xiàn)恒壓恒頻的

54、輸出是因為變頻器給轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電流進行勵磁，然后從而調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率、相位。并網(wǎng)的風力發(fā)電機系統(tǒng)要求所需的發(fā)電機的功率輸出必須能追蹤風力發(fā)電機所能捕獲的最大風能。調(diào)節(jié)有功功率可通過調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速，是風力發(fā)電機組運行在最佳的葉尖比實現(xiàn)最大風能的最大捕獲。</p><p>　　變流器控制電機在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速下都保持發(fā)電狀態(tài)。在超同步發(fā)電時，通過定轉(zhuǎn)子兩個通道同時向電網(wǎng)饋送能量，這時變流器將直流側(cè)能量

55、饋送回電網(wǎng)。在亞同步發(fā)電時，通過定子向電網(wǎng)饋送能量、轉(zhuǎn)子吸收能量產(chǎn)生制動力矩使電機工作在發(fā)電狀態(tài)，變流系統(tǒng)雙向饋電，故稱雙饋技術(shù)。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　如圖所示：風輪與雙饋感應(yīng)發(fā)電機通過齒輪箱相連。定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接“AC-AC”“AC-DC-AC”或者“矩陣式”雙向變頻器，可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制。

56、其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法可通過SPWM（正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)）和IGBT （絕緣柵雙極晶體管控制技術(shù)）， 而且可四象限運行。 </p><p>　　風速是隨機的，要是定子頻率恒定可通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率。其控制的公式： f1=npfm±f2</p><p>　　其中：f1-定子電流頻率， fm-轉(zhuǎn)子機械頻率，fm=np/60；</p><p>　　np-極

57、對數(shù)；f2-轉(zhuǎn)子電流頻率</p><p>　　雙饋風力發(fā)電機的功率流向分析，當發(fā)電機的定子直接接在電網(wǎng)中的時候，交直交變換器與電網(wǎng)相接。雙饋風力發(fā)電機的運行可以分為次同步和超同步兩個階段，在根據(jù)轉(zhuǎn)子上由于轉(zhuǎn)差率的變換引起的功率傳播方向的不同，可把雙饋風力發(fā)電機的分為四個狀態(tài)：超同步發(fā)電、超同步電動、次同步發(fā)電及其次同步電動。</p><p>　　雙饋風力發(fā)電機的功率流向如圖3所示：<

58、/p><p><b>　　圖3 </b></p><p>　　亞同步轉(zhuǎn)速運行 超同步轉(zhuǎn)速運行</p><p>　　超同步發(fā)電狀態(tài)：電機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率小于0。轉(zhuǎn)速方向與電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反，發(fā)電機處于制動狀態(tài)。 </p><p>　　超同步電動：電機的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率

59、小于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向同向，對電機起到驅(qū)動作用。</p><p>　　次同步狀態(tài)：電機轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，對電機起到制動作用。</p><p>　　次同步電動：電機的轉(zhuǎn)速系小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0.電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向是相同的。</p><p>　　1.2.2.2直驅(qū)式發(fā)電機組系統(tǒng)</p>

60、<p>　　直驅(qū)式風力發(fā)電機主要特點是：</p><p>　　A.直驅(qū)式發(fā)電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動從而免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。</p><p>　　B.直驅(qū)式發(fā)電機組具備低風速時高效率、低噪音、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。 </p><p>　　C.發(fā)電機的極數(shù)非常大，通常在100極左右，很好的提高了發(fā)電效率。同時

61、發(fā)電機的結(jié)構(gòu)也變得非常復(fù)雜，體積龐大，需要進行整機吊裝維護。</p><p>　　D.永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素</p><p>　　當系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(以及籠型異步發(fā)電機等)時，變頻器設(shè)置在發(fā)電機定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機發(fā)出變頻交流電，經(jīng)整流和逆變，最終轉(zhuǎn)換成恒頻電源再并網(wǎng)發(fā)電，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4</p><p

62、><b>　　圖4</b></p><p>　　驅(qū)發(fā)電機按照勵磁方式可分為電勵磁和永磁兩種。其中直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組是近年的研究技術(shù)，該技術(shù)用永磁材料替代原來的電勵磁系統(tǒng)，發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕。</p><p>　　直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)變流器要完成以下功能： 1)最大限度捕獲風能;</p><p>　　2)較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，適

63、用于風力機變速運行; 3)可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率;</p><p>　　4)采用先進的PWM控制技術(shù)可以抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率。</p><p>　　直驅(qū)永磁風機有的優(yōu)點：</p><p>　　1）齒輪箱的減少，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，減少了傳動損耗，提高的了發(fā)電機組的效率、穩(wěn)定性和可靠性（尤其在低轉(zhuǎn)速下）。</p><p>

64、　　2）齒輪箱舍去同樣也省去了齒輪箱的制造成本和維護費用，因此直驅(qū)式發(fā)電機降低了運行維護費用。 </p><p>　　3)直驅(qū)式風力發(fā)電機組的低電壓穿越電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓下降，風機在一定的電壓范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，具有良好的訪問性能</p><p><b>　　其主要缺點如下：</b></p><p>　　變頻器的使用增

65、加了電機的成本，同時也導(dǎo)致控制體積變大。</p><p>　　(2)永磁發(fā)電機功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來進行補償；</p><p>　　(3)永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素，同時發(fā)電發(fā)熱產(chǎn)生高溫可能會降低永磁材料的穩(wěn)定性，導(dǎo)致永磁材料失效。而且高價的磁性材料也增加了電機的造價。</p><p>　　1.3．風力發(fā)電機組的控制技術(shù)  

66、        </p><p>　　1.3.1 傳統(tǒng)控制方法</p><p>　　當風速變化時，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實現(xiàn)風能的最大捕獲。因為風速的不確定性和采用了線性控制方法，所以傳統(tǒng)的控制方法只能保證在線性化工作點。</p><p>　　1.

67、3.2 現(xiàn)代控制方法</p><p>　　1.3.2.1 變結(jié)構(gòu)控制</p><p>　　變結(jié)構(gòu)控制是控制系統(tǒng)設(shè)計方法的一種，適用于線性及非線性系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。具有一些優(yōu)良特性，尤其是對加給系統(tǒng)的攝動和干擾有良好的自適應(yīng)性。。</p><p>　　1.3.2.2 H∞魯棒控制</p><p>　　H∞魯棒

68、控制是近幾十年發(fā)展起來的一個比較成功且比較完善的理論體系，也一直是國際自控界的研究熱點。它在設(shè)計過程中考慮了數(shù)學模型所不具有的不確定性。相比于傳統(tǒng)控制方法有較好的優(yōu)勢。H∞控制理論是現(xiàn)代控制理論的數(shù)學變化趨勢也適應(yīng)實際工程而誕生的需要，設(shè)計理念的本質(zhì)是塑造（loopshaping）系統(tǒng)的頻率特性，并通過調(diào)整系統(tǒng)的頻域特性獲得預(yù)期的特性的方法，正是工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)手段,也是經(jīng)典控制理論的根本。</p><p&g

69、t;　　1.3.2.3自適應(yīng)控制</p><p>　　研究對象的自適應(yīng)控制具有不同程度不確定性，這里所謂的“不確定性”是描述被控對象和環(huán)境的不完全確定的數(shù)學模型，其中包含一些未知因素和隨機因素。這些不確定性往往體現(xiàn)在系統(tǒng)，有時系統(tǒng)外..在系統(tǒng)中，描述被控對象數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計者事先并不知道。對系統(tǒng)外部環(huán)境的影響可以在很多干擾表達..這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量的不確定性時，系統(tǒng)進入系統(tǒng)。在

70、各種不確定性和不確定性的因素下如何設(shè)計適當?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。</p><p>　　1.3.2.4模糊控制</p><p>　　模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家</p><p>　　的知識和經(jīng)驗表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，能夠克服非線性因素

71、的影響，對被調(diào)節(jié)對象有較強的魯棒性。"模糊"是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征。"模糊"比"清晰"所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。由于風力發(fā)電機的精確數(shù)學模型難以建立，模糊控制非常適合于風力發(fā)電機組的控制，越來越受到風電研究人員的重視。</p><p>　　1.3.2.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制</p><p

72、>　　網(wǎng)絡(luò)控制是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和控制理論的產(chǎn)品。這是發(fā)展的課題。它匯集了數(shù)學，生物學，生理學，遺傳學，腦科學，人工智能，計算機科學的學科，自動控制理論，技術(shù)，方法和研究結(jié)果。在控制領(lǐng)域，學習控制系統(tǒng)稱為學習控制系統(tǒng)，屬于智能控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是學習能力，屬于學習控制，是智能控制的一個分支。</p><p>　　1.4論文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　風力發(fā)電作為發(fā)展最快的新能

73、源之一，已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。各國政府研已經(jīng)投身到了新能源的爭奪戰(zhàn)中。該課題的主要任務(wù)就是在研究國內(nèi)外變槳距系統(tǒng)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對變槳距結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算，及對獨立變槳系統(tǒng)控制的研究。</p><p>　　所做的具體內(nèi)容科總結(jié)為：</p><p>　　首先廣泛查閱國內(nèi)外的先關(guān)文獻資料，了解風力發(fā)電機的變槳系統(tǒng)的發(fā)展狀況和最新成果，在此基礎(chǔ)上，對變槳距結(jié)構(gòu)和風力電機組的變槳控制問題

74、進行綜述。</p><p>　　討論了變槳距風力發(fā)電機組的特點以及運行狀態(tài)；利用空氣動力學理論，葉素理論，總結(jié)變槳控制的基本規(guī)律。</p><p>　　確定風力機的模型、永磁同步發(fā)電機模型，簡歷風力發(fā)電機組的變槳距控制模型，描述和模擬其動態(tài)特性，將統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的結(jié)果和獨立變槳系統(tǒng)的結(jié)果進行比較。</p><p>　　對全文進行總結(jié)，并對未來的研究成果工作提出展望。&

75、lt;/p><p>　　第2章 風力發(fā)電機組的變槳距調(diào)節(jié)原理</p><p>　　2.1 空氣動力學基礎(chǔ)</p><p>　　2.1.1 風力發(fā)電機組風能的計算</p><p>　　由流體學得，氣流的動能為：</p><p><b>　　E=1/2mv2</b></p><p>

76、;　　其中：m一氣體的質(zhì)量；v一氣體的速度。</p><p>　　設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體的體積為V，則</p><p><b>　　V=Sv </b></p><p>　　如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為</p><p><b>　　m=ρV=ρSv</b></p>

77、<p>　　這時氣流所具有的動能為</p><p><b>　　E=1/2ρSv3</b></p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　如圖5：V1是距風力機一定距離的上游風速；V通過風輪時的實際風速， V2風輪機較遠處的下游風速。</p><p>　　假設(shè)空氣是不能

78、壓縮的，那么風就是連續(xù)的，符合連續(xù)條件：</p><p>　　S1v1=Sv=S2v2</p><p>　　由Euler公式得出作用在風輪上面的力：</p><p>　　F=ρSv（v1-v2）</p><p>　　所以其吸收的功率為：</p><p>　　P=FV=ρSv2（v1-v2）</p><

79、;p>　　從風輪上游到下游，動能的變化量為：</p><p>　　ΔE=1/2ρSv（v21-v22）</p><p>　　可得出： v=（v1-v2）/2 </p><p>　　則得出作用在風輪上的力和功率分別為：</p><p>　　F=ρSv（v21-v22）/2</p>

80、<p>　　P=ρSv（v21-v22）(v1+v2)/4</p><p>　　根據(jù)數(shù)學原理，將上式進行微分在令其微分結(jié)果為零，得到兩個解：v2=-v1（沒有物理意義）；v2=v1/3，此時具有最大的功率。由此可以得出：</p><p>　　Pmax=8ρSv21/27</p><p>　　將上式中的Pmax與想比其結(jié)果就是Cpmax（理論最大風能利用系

81、數(shù)），其表達式為： </p><p>　　由上式可知，風力發(fā)電機從自然風中索取的風能是有限的。而且風力機的實際風能利用率系數(shù)Cp< 0.593.風能利用系數(shù)是衡量風力機運行效率最重要的指標之一，表示為：Cp（λ，β）=2P/ρSv3</p><p>　　其中．λ葉尖速比，β槳葉節(jié)距角。用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量不同狀態(tài)下的不同工作情況，葉尖速比：λ=2ΠRn/v=ω

82、R/v</p><p>　　其中n-是風輪轉(zhuǎn)速；w是風輪轉(zhuǎn)動角的角速度；R-風輪的直徑。那么風能利用率Cp可以近似表示為：</p><p>　　由此繼續(xù)的出Cp-λ的特性圖，如下：</p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　有圖6信息可得出：</b></p>

83、<p>　　對于一個固定的槳葉節(jié)距角下，存在唯一的Cpmax</p><p>　　對于任意的一個葉尖速比，槳葉角=0下的Cp相對最大，并且隨之槳葉節(jié)距角增大，風能利用率系數(shù)Cp明顯減小。</p><p>　　由上訴可得出變速恒頻變槳距控制的理論基礎(chǔ)：</p><p>　　風速比額定風速低時的轉(zhuǎn)速控制

84、 在這個情況下風力發(fā)電機組的運行可以不受到功率限制，此時槳葉節(jié)距角為0，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過變速恒頻裝置來跟蹤最佳Cp捕獲最大風能，并輸出電能頻率不變。</p><p>　　風速高于額定風速時的轉(zhuǎn)速控制</p><p>　　風速高于額定風速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來完成的。高風速下風輪的功率控制方法主要是有兩個的：1）利用

85、發(fā)電機的反力矩；2)利用槳葉槳距角。這個兩個量的改變都能達到控制功率系數(shù)的目的。</p><p><b>　　2.2葉素理論</b></p><p>　　所謂的葉素就是把風輪分為若干個微元。其受力分析如下：</p><p><b>　　圖7 </b></p><p>　　利用數(shù)學知識取一dr的長度，

86、玄長為l ，節(jié)距角β。當風輪開始轉(zhuǎn)動時候會受到斜向上的一個力dF，可將dF分解為與角速度ω垂直和平行方向</p><p>　　的上升力dL和阻力dD。由微分學原理dS=ldr。得出公式：</p><p>　　dL = C l lw 2 dr</p><p>　　dD= C d lw 2 dr</p><p>　　其轉(zhuǎn)矩T= rlw

87、 2 Cl sinI ( 1- co tI ) dr </p><p>　　Cl , Cd 為升力系數(shù)和阻力系數(shù)</p><p>　　葉素上的速度與作用力如圖所示：</p><p><b>　　其攻角α=φ-β</b></p><p><b>　　圖8 </b></p><p&

88、gt;<b>　　2.3槳距角的控制</b></p><p>　　2.3.1 風力機的變漿距控制原理</p><p>　　對于變速變槳距風力發(fā)電機組，可以通過發(fā)電機直接控制載荷轉(zhuǎn)矩，所以風力發(fā)電機組風輪轉(zhuǎn)速允許在一定的范圍內(nèi)進行變化。風速比額定風速低時的轉(zhuǎn)速控制時風力發(fā)電機組 的運行可以不受到功率限

89、制，此時槳葉節(jié)距角為0，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過變速恒頻裝置來跟蹤最佳Cp捕獲最大風能，并輸出電能頻率不變。風速高于額定風速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來完成的風力發(fā)電機吸收風能產(chǎn)生的功率，其表達式為：P=Cpρv3S/2 風力機將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能為: </p><p><b>　　PMEC=TΩ</b></p><p>　　Ω≈ρ

90、pCPR2v3/2</p><p>　　其中 </p><p>　　式中：Pm一機械能；T一風機機械矩；Q一風機角速度；S一風輪迎風面積這里的扭矩丁是負載決定的.</p><p>　　風速一定，一定負載的情況下，P、R一常量。可得風力機的轉(zhuǎn)速取決與風力利用率Cp，由葉素特效理論得出理想情況下氣流與葉片個角度關(guān)系：F=α+β tgF=v

91、/Ωr=1/λ</p><p>　　其中：α-攻角；β-槳距角；F-傾角；λ-葉尖速比。再由力度平衡關(guān)系，風力機機械扭矩：</p><p>　　其中；Cq-扭矩系數(shù)；R-風輪半徑。</p><p>　　對于一風力發(fā)電機組而言，若風度和風向一定時候，若增大攻角，升高系數(shù)Cl將變大，升阻也將增大，扭矩系數(shù)Cq也會增大。功率系數(shù)Cp與扭矩系數(shù)Cq的關(guān)系： CP=CQR

92、Ω/v=Cqλ </p><p>　　得知功率系數(shù)正比于扭矩系數(shù)，所以當攻角增大的情況，Cp也會跟著增大；反之風能利用率Cp減少。在一般情況下，變漿控制中用槳距來描述，當槳距角增大時，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，反之，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降。槳距定義為：H=2prtgβ</p><p>　　所以通過改變風力機安裝角就改變了槳距H，就可以待變風力機的轉(zhuǎn)速w，這就是風力機變槳距控制的原理。&l

93、t;/p><p>　　2.4變槳距風力發(fā)電機的運行狀態(tài)</p><p>　　變槳距風力發(fā)電機組的有三種運行狀態(tài),分別是：啟動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。</p><p>　　2.4.1 啟動狀態(tài)</p><p>　　風力發(fā)電機組的沒啟動時候，節(jié)距角為90度。槳葉相當于一塊阻尼板，這個時候氣流不會對其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

94、。開始啟動時，風速達到起動風速時候槳距角開始變化，將會產(chǎn)生攻角，確保風輪受到最大力矩的作用開始轉(zhuǎn)動，但是此時發(fā)電機組并沒有開始工作。在并網(wǎng)之前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號控制變槳距系統(tǒng)的節(jié)距給定額值。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角 。為了并網(wǎng)的安全和對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響減小到最小，變槳距系統(tǒng)可以跟隨在同步轉(zhuǎn)速附近，等待最佳并網(wǎng)時機。</p><p>　　2.4.2 欠功率狀態(tài)</p><p&

95、gt;　　欠功率狀態(tài)是指當并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。這時候的變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組是相同，獲得的功率取決與槳葉的氣動性能。從理論上說，根據(jù)風速的變化，風輪可在限定的任何轉(zhuǎn)速下運行，以便最大限度地獲得能量，但由于速度的限制，為了有效地獲取風能的同時，保證安全運行，必須階段分為兩個和風速，最大允許轉(zhuǎn)速和區(qū)域額定功率有關(guān)的區(qū)域：1）變速運行區(qū)域(Cp恒定區(qū))；2）恒速運行區(qū)域。&l

96、t;/p><p>　　模式I：變速、最大風能利用系數(shù)Cpmax。</p><p>　　為了讓捕獲的風能達到最大，當?shù)陀陬~定風速的時候，風力機必須通過跟蹤最大風力利用系數(shù)來Cpmax來實現(xiàn)效率的最大化。此時風力機葉片槳距角夕被固定在最優(yōu)值βopt。在給定風速v下，需要通過不斷的調(diào)節(jié)風力機的轉(zhuǎn)速來使工作在最佳葉尖速比λopt。為了保證葉尖速比在最佳值，需要通過調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速跟蹤速度參考值

97、ωopt。速度參考值可以表示為ωopt=λoptvw/R式中：R為風力機風輪半徑。</p><p>　　模式II：定速、變?nèi)~尖速比</p><p>　　這是一個中間區(qū)域，當風速達到風力機的轉(zhuǎn)速，達到限制，風能利用系數(shù)Cp兆瓦直驅(qū)變槳距風力發(fā)電控制系統(tǒng)的印刷會降低，但風力機捕獲風能，將繼續(xù)增加。</p><p>　　2.4.3 額定功率狀態(tài)</p>&

98、lt;p>　　當風速達到或超過額定風速時，風機在額定功率狀態(tài)，在傳統(tǒng)的節(jié)距控制模式，那么速度控制切換到功率控制，變槳距系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)電機的功率信號控制。對于一個給定的值的額定功率控制信號，功率反饋信號與給定值比較，當功率大于額定功率，葉片槳迎風面積減小的方向旋轉(zhuǎn)，反之亦然迎風面積增加方向旋轉(zhuǎn)</p><p>　　本文只針對大風速時實施的槳距角控制進行討論，風機變槳原理圖如下：</p><p

99、><b>　　圖9</b></p><p>　　模式Ill：變速、定功率輸出</p><p>　　當風速超過額定值時，由于風機的機械和電氣極限必須限制從風，即捕獲的能量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸出功率保持在極限值。對應(yīng)的第二和第三狀態(tài)，根據(jù)風速的大小，最大速度與發(fā)電機額定功率允許，變速變槳距風力機可分為三個工作狀態(tài) 如圖所示：</p><p>&l

100、t;b>　　圖10 </b></p><p>　　V0——風力機切入風速。</p><p>　　V1——達到最大允許轉(zhuǎn)速時的風速。</p><p><b>　　V2——額定風速。</b></p><p><b>　　V3——切出風速。</b></p><p>

101、;　　當風速達到切出風速后，為了保證安全可靠運行、獲得最大風能、有好的電能質(zhì)量，系統(tǒng)將會停機。</p><p>　　由此可以總結(jié)出發(fā)電機的基本控制策略：</p><p>　　1）低于額定風速時，控制風輪轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最大風能；</p><p>　　高于額定風速時，調(diào)節(jié)槳距角來限制風能捕獲，保持輸出功率恒定；</p><p>　　當風

102、力發(fā)電機需要脫離電網(wǎng)的時候，變槳距系統(tǒng)會先轉(zhuǎn)動葉片使得發(fā)電機組減小功率，在發(fā)電機與電網(wǎng)斷開之前，功率減小到零，這意味著當發(fā)電機與電網(wǎng)脫開時，沒有轉(zhuǎn)矩作用于風力發(fā)電機組，避免了定槳距風力發(fā)電機組上每次脫網(wǎng)的時候所要經(jīng)歷的突甩負載的過程。 </p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要內(nèi)容是：空氣力學、葉素理論和以及葉素的作用力與速度

103、，并且在這個的基礎(chǔ)上研究了變槳距風力發(fā)電機組變槳距的控制原理和三種運行狀態(tài)，以及是調(diào)節(jié)槳距角輸出功率的關(guān)聯(lián)。</p><p>　　直驅(qū)永磁風力發(fā)電機系統(tǒng)建模</p><p>　　3.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖所示直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的主要組成部分有：葉片、轉(zhuǎn)子、定子、控制柜等?？刂乒?、變槳系統(tǒng)等都安裝在機艙殼內(nèi)。系統(tǒng)可根據(jù)風速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從

104、而達到跟蹤最大風能捕獲的效果。</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　3.2變槳系統(tǒng)</b></p><p>　　變槳結(jié)構(gòu)如下圖所示，其主要結(jié)構(gòu)有變槳驅(qū)動電機、齒輪箱、內(nèi)齒變槳軸承。</p><p><b>　　圖12</b></p>

105、;<p><b>　　3.3 風力機模型</b></p><p>　　風力機的參數(shù)葉尖速比、風能利用系數(shù)、風力捕獲的機械功率、風輪的機械轉(zhuǎn)矩如下：</p><p>　　1)葉尖速比 ：λ=2ΠRn/v=ωR/v</p><p>　　2）風能利用系數(shù)：Cp（λ，β）=2P/ρSv3</p><p>　　3）風

106、力捕獲的機械功率：Pmec=Cpρv3S/2</p><p>　　4）風輪的機械轉(zhuǎn)矩：TM=ρπR3CPv3/λ</p><p>　　3.4永磁同步發(fā)電機模型</p><p>　　本文在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學模型為：</p><p><b>　　式中：</b></p><p&g

107、t;　　Id-直軸電流；iq-交軸電流；</p><p>　　Ld-直軸電感；Lq交軸電感；</p><p><b>　　Ra為定子電阻；</b></p><p>　　ωe為電角頻率，ωe=npωg；np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；λ0為永磁體的磁鏈；</p><p>　　Ud-交軸電壓分量；Uq-交軸電壓分量。</p

108、><p>　　定義q軸的反電勢eq=ωeλ0，d軸的反電勢已ed=0，假設(shè)發(fā)電機d軸和q軸電感相等 1.23 ，即Ld=Lq，則上一個式子可寫為：</p><p>　　3.5 統(tǒng)一變槳距的模糊PID 功率控制器設(shè)計</p><p>　　PID 控制器是以其算法簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點。模糊的傳統(tǒng)PID相較與PID有明顯得優(yōu)勢，它不僅克服了線性控制的問題，還能很

109、好的適應(yīng)非線性系統(tǒng)。</p><p>　　PID控制室偏差比例（P）、偏差積分（I）、偏差微分（D）控制的簡稱。其模擬的框架圖如下：</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法，其模糊條件語句為：</p><p>　　。其中： E——功率偏差；EC——功率偏差的變化率

110、；U——槳距角變化量。</p><p>　　控制規(guī)則選取的基本原則是，當功率偏差較大時，以考慮快速消除偏差為主；當功率偏差較小時，主要考慮避免過大超調(diào)，保證 1.37 系統(tǒng)穩(wěn)定。在Simulink中，可搭建的模糊PID控器模塊如下圖所示。</p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　3.6 統(tǒng)一變槳距功率控制仿真<

111、/p><p>　　統(tǒng)一變槳距功率控制是機組起動后變槳距系統(tǒng)最主要的任務(wù)，通過實驗的控制效果是評變槳距系統(tǒng)的重要依據(jù)。根據(jù)統(tǒng)一槳距功率控制原理建立機組各部分模型的連接。提出PID 整定策略，并依此總結(jié)出模糊控制規(guī)則，再由模糊運算法則，推出模糊控制查詢表（略）。</p><p>　　仿真的電機模型的數(shù)據(jù)如下表所示，采用國產(chǎn)兆瓦級變速恒頻雙饋風電機組 如下表?？偟南到y(tǒng)仿真Simulink模型如圖

112、15b所示。統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖16所示。</p><p><b>　　圖15</b></p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　風速是隨機變化的，由以上結(jié)果可得：</p><p>　　節(jié)距角β跟蹤風速而變化；</p><p>　　氣動軸向力隨風速