【盤式永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的開發(fā)與應(yīng)用9500字（論文）】

盤式永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的開發(fā)與應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1研究背景及意義 11.2盤式永磁同步發(fā)電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 11.3主要研究?jī)?nèi)容 42盤式永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概述 63盤式永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的開發(fā)與應(yīng)用 103.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 103.1.1風(fēng)力機(jī) 103.1.2發(fā)電機(jī) 103.2風(fēng)力機(jī)的理論基礎(chǔ) 113.2.1風(fēng)能利用系數(shù) 113.2.2葉尖速比 113.2.3風(fēng)力機(jī)特性 113.3最大風(fēng)能跟蹤 123.4永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模 123.4.1風(fēng)力機(jī)的建模 123.4.2發(fā)電機(jī)的建模 133.4.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型 143.4.4控制系統(tǒng)模型 153.4.5最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 163.4.6系統(tǒng)模型 174系統(tǒng)仿真 185盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景 19結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 211緒論1.1研究背景及意義人類科技進(jìn)步的同時(shí)，人們對(duì)能源的需求量劇增，世界各國消耗的能源總量不斷增加，能源危機(jī)愈發(fā)嚴(yán)重，因此必須探究出一種可再生、可循環(huán)的新型能源，這是國際社會(huì)推行能源發(fā)展戰(zhàn)略的核心內(nèi)容。世界各國學(xué)者在新能源研究中發(fā)現(xiàn)了風(fēng)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并發(fā)表了很多有關(guān)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用的研究成果。其中頻率恒定可變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因?yàn)榫哂袠O高的發(fā)電效率受到學(xué)者們的關(guān)注，基于該技術(shù)設(shè)計(jì)出的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、見效快等特征得到用戶的一致好評(píng)。盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的特征是材質(zhì)硬、承重能力強(qiáng)、使用便捷、低速交流等，是風(fēng)力機(jī)的重要驅(qū)動(dòng)部分；其結(jié)構(gòu)合理、通風(fēng)系統(tǒng)完善、工作效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較大，被普遍應(yīng)用于直接驅(qū)動(dòng)型、頻率恒定的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本研究的目地是為風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)路中的低速永磁同步發(fā)電機(jī)提供設(shè)計(jì)思路和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)揮盤式永磁同步發(fā)電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，建立一個(gè)效率高、性能可靠、性價(jià)比高、功率密度大、無噪音污染、便于維修的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。1.2盤式永磁同步發(fā)電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展介紹世界上首臺(tái)異頻發(fā)電機(jī)是由法拉第于1821年發(fā)明的，也叫盤式異頻發(fā)電機(jī)。它的繞組橫向分布在盤狀電樞鐵塊，可形成軸向磁通道，所以也叫軸向磁電機(jī)。但這種電機(jī)的轉(zhuǎn)軸是固定的，其鐵心制造流程復(fù)雜，常規(guī)的銑槽工藝流程不但制作速度慢、還存在齒槽寬細(xì)不一等問題，鐵心鋼片電路容易出現(xiàn)斷路情況，導(dǎo)致鐵資源損耗嚴(yán)重；另外，工作時(shí)各定轉(zhuǎn)子形成不同軸向的磁引力，導(dǎo)致軸承超負(fù)荷工作，零部件磨損嚴(yán)重，使用周期短，且運(yùn)行效率不斷下降。此后有人發(fā)明了徑向柱式磁力發(fā)電機(jī)（1837），軸向盤式電機(jī)逐漸被淘汰。在之后的100多年里，國際各國大都使用柱式電機(jī)，這是因?yàn)樗哂泻芏鄡?yōu)勢(shì)。1990年代初，稀土磁性材料由于有著極高的性能在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，盤式電機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展期，其制造工藝合理、材料性能高，具有完善的方案完善機(jī)制，能夠克服上述問題。意大利專家Caricchi（1993-1998）開發(fā)出一種空心定子軸向磁電機(jī)，其結(jié)構(gòu)和三明治類似，有三層，電樞盤是由空心定子繞線組構(gòu)成，冷卻液填充在空心位置（圖1-1）。圖1-2基于三明治構(gòu)造的空心AFPM機(jī)電此類電機(jī)在民用飛機(jī)、電動(dòng)汽車的動(dòng)力體系中運(yùn)用較多。澳大利亞研究者Ramshen（1997）針對(duì)太陽能電動(dòng)車設(shè)計(jì)出一款新型的輪轂圓盤型電機(jī)，其工作效率是普通電機(jī)的2倍，功率到達(dá)最大值后，運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁力鋼結(jié)構(gòu)與Halbach陣列類似，電力樞紐繞組內(nèi)部無鐵心，電機(jī)性能指標(biāo)與Halbach陣列相匹配。Ferraro等（2007）引入有限元分析法完善兩重轉(zhuǎn)子獨(dú)立定子的空心AFPM電機(jī)的磁力鋼片和繞組結(jié)構(gòu)，并探究了不同形狀的磁力鋼片對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)李局和銅資源損耗的影響。學(xué)者Capponi分析了外部轉(zhuǎn)子空心AFPM電機(jī)的設(shè)計(jì)思路和控制原理，表示電機(jī)定子是由兩個(gè)空心電力驅(qū)動(dòng)繞組構(gòu)成，可調(diào)整兩個(gè)定子軸向角度來削弱磁力，調(diào)節(jié)速度，使電機(jī)始終處于良好的調(diào)試狀態(tài)（圖1-2）。圖1-2兩定子空心AFPM電機(jī)磁力和速度調(diào)控圖示美國學(xué)者與伊朗學(xué)者（2008）聯(lián)合設(shè)計(jì)出一款外轉(zhuǎn)子空心AFPM電機(jī)的效率相等的電路，使用有限元法探究電機(jī)的磁場(chǎng)特性，并通過實(shí)踐制造出電機(jī)。Luk（2009）以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣AFPM電機(jī)為對(duì)象，選擇圓形的電機(jī)磁力鋼片和繞組線圈，通過三維有限元法探究了不同槽結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)特性的作用，并根據(jù)樣品電機(jī)分析出電機(jī)的運(yùn)作性能。Gieras等在空心AFPM電機(jī)中采用Halbach陣列磁動(dòng)力結(jié)構(gòu)和兩轉(zhuǎn)子獨(dú)立式定子的兩重間隙結(jié)構(gòu)（圖1-3）。圖1-3Halbach型無鐵心AFPM電機(jī)空心繞線組被環(huán)氧類樹脂粘黏，可抵消電機(jī)齒槽產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，這樣提高了電機(jī)的綜合運(yùn)作效率，使功率密度增大，形成不同類型的盤結(jié)構(gòu)。Kamper等探究了空心AFPM電機(jī)的兩種繞組類型，即重疊繞線組和非重疊聚集型繞線組，后者比前者擁有更大的輸出扭轉(zhuǎn)力矩，其輸出效果和極數(shù)呈正比。Tsai基于PCB繞組設(shè)計(jì)出軸向二維磁控微型電機(jī)的工作流程圖，繞組線圈設(shè)計(jì)為菱形，這樣可縮減電機(jī)的繞組頂部尺寸(圖1-4)。圖1-4微型軸向磁場(chǎng)平面電機(jī)的定子電樞菱形繞組不僅可使電機(jī)的銅使用效率增高，而且獲得了正弦排列的電動(dòng)勢(shì)差。美國弗羅里達(dá)某教授以PCB繞線組為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出民用軸向風(fēng)力磁發(fā)電機(jī)，并制造出樣品，其繞組類型為無重疊聚集型（圖1-5）。圖1-5風(fēng)力軸向磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)定子電樞澳大利亞研究者D.Gambetta設(shè)計(jì)出圓盤狀永磁電機(jī)，采用螺旋狀PCB線繞結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮PCB板的空間優(yōu)勢(shì)，并使用幾何法探究PCB繞線組特性。韓國學(xué)者Jang（2012）使用3D諧波法探究了PCB繞線結(jié)構(gòu)的空心AFPM電機(jī)的磁場(chǎng)力和空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)能，通過調(diào)節(jié)各PCB繞線組的距離，剔除了反電動(dòng)勢(shì)波中的低頻諧波。國際社會(huì)對(duì)空心AFPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的研究比較成熟，已設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)樣品，并被廣泛推廣到民用風(fēng)力電機(jī)、高精度檢測(cè)或稱重儀器、電動(dòng)車制造等行業(yè)。最近，我國科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合天津大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等高等院校對(duì)圓盤狀電機(jī)展開了深入研究，并取得豐碩成果。從2006年開始，天津大學(xué)的學(xué)者們就開始研究空心AFPM電機(jī)的磁力鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、空心繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化等內(nèi)容，并設(shè)計(jì)出功率多樣的單盤、復(fù)合盤狀樣機(jī)。學(xué)者還對(duì)電機(jī)核心制造工藝進(jìn)行深入探究，如永磁體定位、外轉(zhuǎn)子加工、空心線圈纏繞等工藝，并自主設(shè)計(jì)出與空心AFPM電機(jī)相匹配的模具工裝和設(shè)備。黃植功等對(duì)直流式繞組電機(jī)進(jìn)行研究，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出了導(dǎo)條完善和反電動(dòng)勢(shì)指標(biāo)運(yùn)算等理論。王輝和武峻峰等嘗試在AFPM電機(jī)中引入反電動(dòng)勢(shì)飛輪結(jié)構(gòu)，并使用PCB繞組定子，通過電機(jī)優(yōu)化方案大幅降低系統(tǒng)重量，使電機(jī)磁效應(yīng)增強(qiáng)。董建寧等使用標(biāo)量磁位法得出空心AFPM電機(jī)的磁場(chǎng)作用力立體表達(dá)模型，通過該模型可對(duì)電機(jī)的電感系數(shù)和反電動(dòng)勢(shì)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。當(dāng)前我國的AFPM磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造水平均無法和西方發(fā)電國家相比，生產(chǎn)出的電機(jī)并未被廣泛運(yùn)用，因此無法大批量生產(chǎn)，基于PCB繞線的空心AFPM電機(jī)的研究并不深入。1.3主要研究?jī)?nèi)容本文首先解釋了風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率峰值調(diào)控和追蹤相關(guān)的流程和原理，再建立數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)MATLAB/SIMULINK設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型、根據(jù)dp坐標(biāo)系設(shè)計(jì)永磁同步發(fā)電機(jī)的調(diào)控和運(yùn)作模型，再匯總模型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出直接驅(qū)動(dòng)型、頻率恒定的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，最后利用葉尖速比理想管控法模擬額定風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)模型，并驗(yàn)證此控制方式的有效性。2盤式永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概述盤式永磁電機(jī)也叫軸向磁電機(jī)，內(nèi)部定子內(nèi)子固定盤和轉(zhuǎn)子固定盤保持平衡狀態(tài)，和軸承方向垂直，沿軸向?yàn)橛来朋w填充磁力，在空隙內(nèi)產(chǎn)生不同極的軸向電磁場(chǎng)。根據(jù)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子和定子的位置關(guān)系、配置數(shù)量，可將該發(fā)電機(jī)歸為四個(gè)類型，即中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖2-1(b))、單定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖2-1(a))、中定子結(jié)構(gòu)(圖2-1(c))和重復(fù)圓盤結(jié)構(gòu)。圖2-1盤式永磁電機(jī)構(gòu)成。(a)單轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)，(b)AFIR結(jié)構(gòu)，(c)TORUS結(jié)構(gòu)。TORUS結(jié)構(gòu)電機(jī)內(nèi)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)子，當(dāng)永磁體用量固定市，定子和轉(zhuǎn)子獨(dú)立結(jié)構(gòu)的電機(jī)要比氣隙磁電機(jī)密度高10%左右，氣隙磁密的分布比較均勻，可最少降低一半磁流失。兩端的轉(zhuǎn)子與中間點(diǎn)處的定子形成對(duì)等作用力。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁體南北極位置，TORUS型電機(jī)又可劃分為TORUSNS型和TORUSNN型電機(jī)。前者的磁導(dǎo)通順序?yàn)椋河曳睫D(zhuǎn)子磁體北極-氣孔-定子-氣孔-左邊轉(zhuǎn)子磁體盤南極-左邊轉(zhuǎn)子輪軛-左邊轉(zhuǎn)子磁體北極-氣孔-定子-右邊轉(zhuǎn)子磁體南極-右邊轉(zhuǎn)子輪軛（圖2-2(a)）。磁體在定子鐵心、氣孔處的導(dǎo)通方向和軸向一致，定子內(nèi)無法形成此路，因此定子鐵心厚度一般較小，甚至不需要鐵心（圖2-2(b)）。圖2-2TORUS結(jié)構(gòu)電機(jī)。(a)磁路結(jié)構(gòu)，(b)無鐵心結(jié)構(gòu)。永磁同步發(fā)電機(jī)采用無鐵心結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如在設(shè)計(jì)中可以不計(jì)算定子鐵耗和齒槽轉(zhuǎn)矩、電機(jī)重量可以選擇適合的、增強(qiáng)電機(jī)功率，從制造工藝方面分析，在使用過程中電機(jī)工作時(shí)的噪聲也有所減少。因此，盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)模型表現(xiàn)如下所示：無鐵心AFPM電機(jī)使用定子無鐵磁材料，永磁體在材料和結(jié)構(gòu)上可以選擇磁通密度較大的材料，這樣在設(shè)計(jì)中可以不考慮磁路飽和的情況；無鐵心AFPM電機(jī)的等效氣隙長(zhǎng)度取決于定子電樞厚度和氣隙長(zhǎng)度，等效氣隙越小時(shí)，電機(jī)的反應(yīng)也會(huì)越強(qiáng)烈，此時(shí)永磁體的作用將會(huì)無限放小。(3)無鐵心AFPM電機(jī)的等效氣隙長(zhǎng)度和鐵心盤式電機(jī)相比要更長(zhǎng)，在選擇永磁材料材料時(shí)需要選擇磁通密度合適的材料。根據(jù)以上分析可得知，無鐵心AFPM電機(jī)的選擇主要有NN型或NS型兩種，但是這兩者在磁密度上無法滿足電機(jī)的需求。無鐵心AFPM電機(jī)選擇過程中需要考慮到磁密度是否合適，所以在此情況下推進(jìn)使用釹鐵硼永磁材料和改變永磁體材料，即永磁體通過特殊的結(jié)構(gòu)展示—Halbach陣列。Halbach型永磁體陣列可以分為軸向陣列與切向陣列，其原理如下圖2-3所展示。Halbach結(jié)構(gòu)體是一種陣列式的永久磁體，由磁化方向按一定規(guī)律變化的單元磁塊拼裝而成。在完整的直線型Halbach結(jié)構(gòu)體中，往往有多個(gè)周期，設(shè)計(jì)的過程中，為了達(dá)到所需的牽引加速度，所需的永磁結(jié)構(gòu)的大小為400x2000mm，有5個(gè)周期。若將5個(gè)周期進(jìn)行整體安裝，安裝的難度很大，模塊性、可維護(hù)性不強(qiáng)，因此劃分為單周期，然后進(jìn)行組裝更為合適。在單周期Halbach結(jié)構(gòu)中，永磁塊必須先充磁后組裝，而該結(jié)構(gòu)中的有些永磁塊之間的磁場(chǎng)是相互排斥的，如果永磁體之間的距離很小時(shí)，兩者之間的排斥力將會(huì)越來越大，這一特點(diǎn)在組裝過程中是較大的難題。圖2-3Halbach結(jié)構(gòu)原理示意圖。(a)軸向陣列，(b)切向陣列，(c)Halbach陣列。Halbach型永磁體陣列由很多小塊磁化強(qiáng)度一致的永磁構(gòu)成，永磁體的磁化矢量變化和矩陣距離大小有一定的關(guān)系，兩個(gè)磁化矢量之間會(huì)產(chǎn)生一定的角度。無鐵心AFPM電機(jī)可使用Halbach型永磁體陣列的方式，再這樣的方式下磁化矢量之間的角度可以選擇三種方式：兩個(gè)磁化矢量形成90°角、三個(gè)磁化矢量形成60°角、四個(gè)磁化矢量形成45°角。如下圖3-4所展示。根據(jù)永磁同步電機(jī)的特性考慮，無鐵心AFPM電機(jī)的磁通密度需要選擇大一點(diǎn)的，形成的波形的正弦也更容易觀察。根據(jù)不同Halbach型的無鐵心AFPM電機(jī)的選擇可得到如圖2-5所展示的仿真圖，根據(jù)仿真圖可得知，四個(gè)磁化矢量形成45°角的磁通密度波形正弦走勢(shì)較為符合此次設(shè)計(jì)。當(dāng)氣隙長(zhǎng)度和永磁體厚度都相同時(shí)，磁化矢量的角度越小時(shí)，永磁體的塊數(shù)也會(huì)越多，形成的波形正弦走勢(shì)也越適合。當(dāng)永磁體的塊數(shù)增加時(shí)，每次的永磁體的面積也會(huì)相對(duì)減少，面積小到一定程度時(shí)就會(huì)影響到構(gòu)造的過程。因此，電機(jī)在構(gòu)建的過程中需要考慮到最小適合的體積，在此條件下在考慮Halbach型永磁體陣列。根據(jù)圖2-4可得知(a)90°Halbach，(b)60°Halbach，(c)45°Halbach，屬于永磁體排列方式。圖2-5不同Halbach型電機(jī)的氣隙磁密波形3盤式永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的開發(fā)與應(yīng)用3.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖3-1所展示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、控制端、功率測(cè)量器等零件組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過程中吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，吸收過程中需要達(dá)到規(guī)定的速度和角度，此時(shí)槳葉才能發(fā)揮作用進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)后實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生電能，經(jīng)過電子轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)至電網(wǎng)。本系統(tǒng)主要介紹風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的作用。圖3-1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)力機(jī)3.1.1風(fēng)力機(jī)風(fēng)電機(jī)中最不能缺少的是風(fēng)力機(jī)，而組成風(fēng)力機(jī)的是槳葉與輪軸，槳葉同樣也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵的一部分，槳葉的質(zhì)量能直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率、壽命和性能等等。槳葉在尺寸、外形、精度、強(qiáng)度等方面的要求都非常的高，槳葉的生產(chǎn)和制造需要使用到復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)工藝等高科技手段。從制造材料上分風(fēng)力機(jī)染葉可分為木制染葉、鋼制槳葉、鋁合金染葉、玻璃鋼槳葉、玻璃鋼復(fù)合槳葉、碳纖維復(fù)合槳葉和木質(zhì)/竹質(zhì)復(fù)合槳葉等。槳葉還需要區(qū)分定槳距和變槳距風(fēng)輪、定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。本次研究中采用的是定槳距和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。3.1.2發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于人的大腦組織為所有的零件提供能量，同時(shí)完成能量的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)能夠之間影響到能量的質(zhì)量、性能等方面，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過程中還需要特殊的轉(zhuǎn)換程序和轉(zhuǎn)換裝置才能完成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理比較簡(jiǎn)單，在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，通過把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，發(fā)電機(jī)在輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。永磁同步發(fā)電機(jī)與其他型號(hào)發(fā)電機(jī)相比，集電環(huán)和電刷在質(zhì)量選擇上有所保障，也比其他發(fā)電機(jī)減少了勵(lì)磁繞組，在結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單，一般施工人員了解相關(guān)知識(shí)便能夠減少人工投入。同時(shí)永磁同步發(fā)電機(jī)中還加入了稀土永磁體，稀土永磁材料的磁性較為優(yōu)異，在經(jīng)歷過充磁后不再增加額外能量就能夠較長(zhǎng)時(shí)間的保證較強(qiáng)的磁能量，用來替代傳統(tǒng)電機(jī)的電勵(lì)磁場(chǎng)所制成的稀土永磁電機(jī)使用過程中效率更高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性更強(qiáng)，體積更小、重量更輕。3.2風(fēng)力機(jī)的理論基礎(chǔ)3.2.1風(fēng)能利用系數(shù)(1)根據(jù)貝茲理論極限值可得知，自然界的風(fēng)力能量是無窮的，但是經(jīng)過發(fā)電機(jī)后轉(zhuǎn)換的能量卻有一定的限度。發(fā)電機(jī)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，風(fēng)力大小直接影響到發(fā)電機(jī)的功效，因此風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式需要適配。結(jié)合目前科技能力，風(fēng)力機(jī)能對(duì)自然界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化率在0.4~0.5范圍內(nèi)。3.2.2葉尖速比風(fēng)輪在自然風(fēng)環(huán)境下不停運(yùn)行，稱為葉尖速比，葉尖的運(yùn)作功率和風(fēng)的速度比值用公式表示為：(2)公式中代表風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，R代表風(fēng)輪的半徑。3.2.3風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)力機(jī)主要的作用是將自然界的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娏υO(shè)備，轉(zhuǎn)換過程中和空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)緊密相連。風(fēng)輪發(fā)電機(jī)在構(gòu)建過程中需要考慮到槳葉的作用，因此必須從幾何、風(fēng)力等專業(yè)知識(shí)方面計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要解決自然風(fēng)轉(zhuǎn)換機(jī)械能時(shí)風(fēng)速信息獲取。建模的過程有很多問題需要解決，因此人們采用較為簡(jiǎn)單的方式解決建模難的問題，也可以得到從風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程中實(shí)際獲取到的能量，方程式為：(3)(4)公式中代表風(fēng)輪覆蓋面積產(chǎn)生的功率；代表空氣密度，固定值為1.25；代表風(fēng)輪半徑；代表實(shí)際獲取的風(fēng)速；代表風(fēng)力機(jī)此時(shí)的功率值；代表葉尖速比。3.3最大風(fēng)能跟蹤風(fēng)能沒有具體的計(jì)算方式，對(duì)風(fēng)能的判斷也沒有具有的數(shù)值，風(fēng)能的獲取和風(fēng)力發(fā)電機(jī)有直接的關(guān)系，采用不同的獲取方式也能改變風(fēng)能獲取功率。風(fēng)力電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，風(fēng)速越大獲取的風(fēng)能也會(huì)越多，輸出功率也會(huì)越大，但是對(duì)于風(fēng)能的獲取總有一個(gè)最大值。因此，便得出結(jié)論，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作狀態(tài)下葉尖速比最為適當(dāng)時(shí)，才能代表獲取最大的功率。通過采用不同的控制方法可以改變風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，這種方式能保持最佳葉尖速比上運(yùn)行，目前使用較多的是最大風(fēng)能跟蹤控制(MPPT)策略。最大風(fēng)能跟蹤控制主要分為最佳葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法，都可以在不同風(fēng)速的情況下提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)換功率。本次研究中將采用最佳葉尖速比控制法。圖3-2最佳葉尖速比控制法原理圖3.4永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模3.4.1風(fēng)力機(jī)的建模盤式風(fēng)力機(jī)中不包含齒輪箱的計(jì)算，所以運(yùn)動(dòng)方程式為：(5)公式中代表風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中的能量；代表風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；代表風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩；代表設(shè)備傳給發(fā)電機(jī)的扭矩。根據(jù)公式可得知風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩為：(6)SIMULINK創(chuàng)建風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度模型如圖3-3所展示：圖3-3風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速轉(zhuǎn)矩模型3.4.2發(fā)電機(jī)的建模永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)坐標(biāo)方式建立模型，一般常用的坐標(biāo)系使用表示，坐標(biāo)中包含所有的交流電機(jī)坐標(biāo)位置。發(fā)電機(jī)在工作時(shí)主要由定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間相互作用，此過程中產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩。因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小、方向都和定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈有較大的關(guān)聯(lián)。根據(jù)分析結(jié)果可得知，坐標(biāo)在轉(zhuǎn)子磁鏈的位置上，軸代表磁鏈位置，軸方向與軸之間角度為90°，在這種情況下形成正交坐標(biāo)系。在正交坐標(biāo)系中包含電機(jī)中所有的變量，這些變量都在、兩個(gè)軸上，根據(jù)、兩個(gè)軸的定量控制，所有的變量都能夠計(jì)算出數(shù)值。轉(zhuǎn)子磁鏈主要來源于永磁體，實(shí)驗(yàn)中永磁體產(chǎn)生的能量無法計(jì)算，所以轉(zhuǎn)子磁鏈的能量不需要計(jì)算，在此情況下只需要計(jì)算電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩即可。定子磁場(chǎng)中產(chǎn)生定子磁鏈，在坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)各部分的電流解耦控制，因此可得到電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。本系統(tǒng)中在坐標(biāo)下建立永磁同步發(fā)電機(jī)組模型為：(7)公式中代表發(fā)電機(jī)的軸電流；代表發(fā)電機(jī)的軸電流；代表發(fā)電機(jī)的軸電感；代表發(fā)電機(jī)的軸電感；代表定子電阻；代表電角頻率，代表發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)；代表永磁體的磁鏈；代表軸能量；代表軸能量。得到軸的反電勢(shì)為，軸的反電勢(shì)為，此種情況下發(fā)電機(jī)軸和軸電感一致，可得到，因此，可得到：(8)根據(jù)以上可得知MATLAB/SIMULINK在構(gòu)建過程中模型如圖3-4所展示：圖3-4永磁發(fā)電機(jī)模型3.4.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：(9)公式中代表發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，代表發(fā)電機(jī)反差矩，代表發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中永磁發(fā)電機(jī)工作中不需要使用到增速齒輪箱，所以風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致，可得到公式：(10)盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：(11)計(jì)算后為：(12)因此可得到永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型如下圖3-5所展示：圖3-5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型3.4.4控制系統(tǒng)模型永磁發(fā)電機(jī)中包含永磁體勵(lì)磁，所以不需要再次獲取勵(lì)磁電流，只需要得到定子電流的轉(zhuǎn)矩即可，根據(jù)坐標(biāo)系的矢量控制法可以得到電壓矢量和的數(shù)值，就可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在計(jì)算矢量過程中，不需要計(jì)算軸的分量，使用零軸電流的計(jì)算方式可得到電流數(shù)值為，根據(jù)公式可得知電流越小，電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)越大。還可以計(jì)算出軸分量，通過軸的速度和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值可以得到軸電流數(shù)值為。、軸之間有一定的關(guān)聯(lián)性，假設(shè)為和，因此的變化隨著和的變化而變化，所以在計(jì)算的過程中難以得到固定值。通過對(duì)、軸之間關(guān)聯(lián)性的定義可得知，兩個(gè)新變量的表達(dá)式為：(13)根據(jù)公式可得知，、軸之間的耦合項(xiàng)不進(jìn)行計(jì)算。控制系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、內(nèi)部電流的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)的參數(shù)值可根據(jù)理論數(shù)據(jù)的最大功率的得出，將數(shù)值和實(shí)際得到的轉(zhuǎn)速對(duì)比，代入PI計(jì)算公式可得到軸電流的數(shù)值為，軸電流的數(shù)值為，一般為0。根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)的計(jì)算公式可得出，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流之間成正比，因此可以通過改變電流的大小改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)可得到最佳轉(zhuǎn)速?？刂贫四Ｐ拖到y(tǒng)如圖3-6所展示：圖3-6控制系統(tǒng)模型PI子模塊如圖3-7所展示：圖3-7PI子模塊模型3.4.5最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊最佳葉尖速比計(jì)算方法可根據(jù)最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，如圖3-8所展示；圖3-8最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊3.4.6系統(tǒng)模型將系統(tǒng)中每個(gè)子模塊組裝的永磁盤式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖3-9所展示：模型中使用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：風(fēng)力機(jī)參數(shù)：風(fēng)輪已知直徑為70m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的慣量為350000；此時(shí)空氣密度是1.225；發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率是：1500KW；額定轉(zhuǎn)速是20rpm；電機(jī)極對(duì)數(shù)是30；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：32000定子、的軸電感使用表示；定子電阻是0.037。圖3-9盤式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型4系統(tǒng)仿真對(duì)于風(fēng)速的判斷需要分階段，此時(shí)風(fēng)速的數(shù)值為9m/s，經(jīng)過50s后，風(fēng)速的數(shù)值為11.35m/s，經(jīng)過計(jì)算后，轉(zhuǎn)速環(huán)PI得到的參數(shù)為Kp=10，Ki=0.01；電流環(huán)PI得到的參數(shù)為Kp=5，Ki=0.05。(a)階躍風(fēng)速輸入(b)葉尖速比(c)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速((d)發(fā)電機(jī)輸出功率(e)風(fēng)能利用系數(shù)Cp圖4-1仿真結(jié)果根據(jù)上圖可得知風(fēng)速超過9m/s達(dá)到11.35m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的功能也會(huì)有所提高。隨著風(fēng)速不斷變化，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快時(shí)，葉尖速比的數(shù)值也會(huì)保持在一個(gè)穩(wěn)定的階段，此時(shí)對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換利用能夠達(dá)到最大數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。5盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景全球經(jīng)濟(jì)隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，許多國家先后進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的技術(shù)階段。這些技術(shù)和系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)元件中都使用到了盤式永磁同步發(fā)電機(jī)，并且每年的需求量不斷增加，發(fā)電機(jī)市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大，發(fā)展空間較好。盤式永磁同步發(fā)電機(jī)在日本、德國、美國等知名品牌公司的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)方面都較為成熟，并且能完成大部分高檔、精密、新型盤式永磁同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)和產(chǎn)品。截至目前，日本在盤式永磁同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造方面主要有日本電產(chǎn)株式會(huì)社、日本阿斯莫株式會(huì)社、日本電裝株式會(huì)社、日本萬寶至馬達(dá)株式會(huì)社等。其次美國在盤式永磁同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)力上稍弱日本。美國在感應(yīng)電機(jī)方面的設(shè)計(jì)發(fā)展較為成熟，因此美國在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面主要使用于感應(yīng)電機(jī)。其后美國在永磁同步電機(jī)方面大力發(fā)展研究，在短時(shí)間內(nèi)迅速崛起，例如SatCon公司在永磁同步電機(jī)方面提出定子雙套繞組技術(shù)，在增加電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下提高逆變器的電壓，使其經(jīng)過的電流變小，同時(shí)還能提升電機(jī)的工作效率。美國制造的盤式永磁同步發(fā)電機(jī)主要針對(duì)于軍用微電機(jī)方面，因此，美國軍用微電機(jī)在科技水平和生產(chǎn)產(chǎn)品一直處于世界前端。此外，盤式永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，以中國為代表的新興國家也在全球盤式永磁同步發(fā)電機(jī)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。根據(jù)電機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，在截止2017年，中國盤式永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)量超出1000萬千瓦大關(guān)，具體數(shù)據(jù)為1107.1萬千瓦，同時(shí)獲取盤式永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)量制造大國稱號(hào)。針對(duì)盤式永磁同步發(fā)電機(jī)研究可以發(fā)現(xiàn)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)等方面。所以，電機(jī)的永磁將成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向。主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，但是汽車在空間和使用環(huán)境等條件的影響下，電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和普通的電動(dòng)系統(tǒng)有所區(qū)別，使用過程中要表現(xiàn)出性能高、體積適當(dāng)、重量不超標(biāo)、環(huán)境和溫度都需要達(dá)標(biāo)，使用普通的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電力電子技術(shù)不能完成這些條件。所以，永磁化也是未來汽車電機(jī)發(fā)展的方向之一。永磁材料的性能較強(qiáng)，工藝逐漸完善，通過現(xiàn)代化技術(shù)加工后還可以應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、航海、軍工等其他行業(yè)，對(duì)中國的發(fā)展有不可代替的作用。結(jié)論隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，在\t"/item/%E6%9C%80%E5%A4%A7%E9%A3%8E%E8%83%BD%E8%BF%BD%E8%B8%AA/_blank"綠色能源快速發(fā)展的前提下，\t"/item/%E6%9C%80%E5%A4%A7%E9%A3%8E%E8%83%BD%E8%BF%BD%E8%B8%AA/_blank"風(fēng)力發(fā)電需要更受到重視。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)還有面臨很多的問題需要解決，其中就包含運(yùn)行輸出的\t"/item/%E6%9C%80%E5%A4%A7%E9%A3%8E%E8%83%BD%E8%BF%BD%E8%B8%AA/_blank"最大功率點(diǎn)位置將隨風(fēng)速的改變而不同。在此情況下便產(chǎn)生了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速只有10～40r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想的目標(biāo)，所以，為了實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)速，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中加入控制槳葉和齒輪箱的方式提高轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速后對(duì)轉(zhuǎn)換的電能再次處理，才能符合人民用電的標(biāo)準(zhǔn)。由于可再生能源的可變性以及要與電網(wǎng)相互作用，風(fēng)力發(fā)電裝置通常被認(rèn)為是電能質(zhì)量較差的裝置，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要考慮電能質(zhì)量。風(fēng)力機(jī)出現(xiàn)時(shí)就有了對(duì)控制的要求，控制的主要目標(biāo)是將功率與轉(zhuǎn)速限制在一些標(biāo)準(zhǔn)值以下，以保證風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)的條件下安全運(yùn)行。因此從根本上說風(fēng)力機(jī)是一個(gè)捕獲風(fēng)能并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為其他有用能量的裝置，特別是與電網(wǎng)相連的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)必須保證能耗最小、運(yùn)行安全、滿足其噪聲發(fā)射和電能質(zhì)量的要求。本論文根據(jù)分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率的運(yùn)行原理和使用范式，在MATLAB/SIMULINK上構(gòu)建風(fēng)力機(jī)模型、永磁發(fā)電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型。在這些模型的幫助下逐漸完成直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電模型的創(chuàng)建，文中在固定風(fēng)速下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到最終的控制方式。參考文獻(xiàn)：[1]MarignettiF,DelliCV,