直流電機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的模擬

雖然在風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究可以得到直接準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、實(shí)驗(yàn)空間狹小、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程很難實(shí)現(xiàn)。這樣一來，不僅需要增加研究經(jīng)費(fèi)和研究時(shí)間，并且要消耗大量的人力和物力。所以，就需要一種模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)來解決此問題。因此構(gòu)造風(fēng)力機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就成為在實(shí)驗(yàn)室研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵，它將對(duì)推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的開展有著重要意義。本文首先介紹了風(fēng)能資源的開發(fā)利用以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)，分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的原理，給出了直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性的控制策略。討論了各種工況下的風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的可行性，設(shè)計(jì)了一套由交流變換器開關(guān)管控制脈沖，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行模擬的系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了由DSP控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性模擬的程序及其相關(guān)的控的具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明在不同的風(fēng)速模型下，風(fēng)力機(jī)都能夠遵循最大風(fēng)能捕獲的機(jī)理運(yùn)行，而且能夠很快運(yùn)進(jìn)入的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，得到了良好的控制效果。在實(shí)驗(yàn)室條件下提供了一種可行的模擬風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的實(shí)用方法。ABSTRACTDoingtheexperimentatthefieldofwindpowergeneration,whichcouldobtaintheexactandaccurateresultsdirectly,butduetothebadconditions,thenarrowexperiment’sspace,theprocessofexperimentcanbedifficulttoachieve.Asaresult,notonlyneedtoincreaseresearchfundingandresearchtime,andconsumesalotofmanpowerandmaterialresources.So,weneedawindmachinesimulationsystemtosolvetheproblem.Therefore,constructingtheexperimentalplatformofwindturbinesimulator,whichisthekeyofresearchingthewindpowergenerationsystem,meansgreatsignificancetousindrivingourwindpowergenerationcontinuouslyexpanding.Firstly,thisarticleintroducesthedevelopmentandutilizationofwindenergyresourcesandtheadjustmentofthewindpowersystemcontroltechnology,analyzesthecharacteristicsofwindturbineoperationandwindgeneratingsettheprincipleofmaximumwindenergycapture,dcmotorisgivensimulationofthewindturbineoutputcharacteristiccontrolstrategy.DiscussedthestatusofthewindturbineundervariousworkingconditionsisverifiedbysimulationandexperimentofDCmotorsimulationthefeasibilityofthewindturbinecharacteristics,designasetofcommunicationpowersupply,thesingle-phaseuncontrollablerectifiermodules,rectifier,filter,usingDSPtocontrolDC-DCbuckconverterswitchtubetocontrolpulse,pressureregulatingofDCmotorspeedcontroltoimplementthesimulationonwindturbineoperationcharacteristicsofsystem,anddesignedawindmachinesimulationfeaturesbyDSPmotorcontrolprogramanditsassociatedcontrolcircuit,DSPintegrateddevelopmentenvironmentCCSisintroducedtogeneratePWMwave,andtheconcreteimplementationofuppermachinesoftware.Theexperimentalresultsshowthatunderthedifferentwindspeedmodel,themechanismofwindturbineisabletofollowthemaximumwindenergycaptureoperation,andabletobequicklytransportedintothestateofstableoperation,obtainedthegoodcontroleffect.Undertheconditionoflaboratoryprovidesafeasiblesimulationpracticalmethodofwindturbineoperationcharacteristics.Keywords:windmachinesimulation,DSP,dcmotor,theMATLABsimulation目錄TOC\o"1-3"\h\u2567 I32034ABSTRACT II11007第1章 18713 114459 118986 232508 3102621.3風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀 41669 53251 5188521.4.2研究?jī)?nèi)容 618576第2章直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的原理及方法 8322582.1風(fēng)能的貝茲理論[11] 83259 10169802.3風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理與控制策略 1228527 1725817第3章風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型 2069383.1概述 20202143.2風(fēng)速的四種分量模型 2088283.3風(fēng)速模型仿真 2217536第4章風(fēng)力機(jī)模擬器的仿真研究 2728124.1MATLAB軟件簡(jiǎn)介 27263354.1.1MATLAB軟件的典型特點(diǎn) 27262114.1.2Simulink的根底應(yīng)用 2727544.2平波電抗器 30244684.3風(fēng)力機(jī)選擇 31233594.4直流機(jī)的控制 31312414.4.1根本控制思想 3110175 35527 39952 4423583致謝 4519764參考文獻(xiàn) 46第1章 伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速開展，人們對(duì)能源的需求也在不斷擴(kuò)大，能源的消耗已經(jīng)滲透到我們生活的每個(gè)角落，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人民生活等各方面能源都發(fā)揮著舉足輕重的作用。世界能源的開展一直遵循著高效、清潔的軌跡前進(jìn)。由于目前環(huán)境問題的突出表達(dá)，各國(guó)已經(jīng)開始注意到不可再生能源正在逐步耗竭。于是，開發(fā)綠色環(huán)保的新能源逐漸成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。新能源是到目前尚未被人類大規(guī)模利用，還有待進(jìn)一步研究試驗(yàn)與開發(fā)利用的能源，例如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芗昂司圩兡艿?。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，從70年代中期開始受到世界各國(guó)的重視，由于風(fēng)力發(fā)電比其他可再生能源〔水能除外〕發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因而開展迅速。近年來，風(fēng)能已成為世界上開展最迅速的綠色能源之一，被稱為“未來的能源〞。與傳統(tǒng)能源如煤、石油和原子能不同，風(fēng)能既不會(huì)污染環(huán)境，也不會(huì)枯竭，是一種便捷有效、兼顧能量增容和環(huán)保要求的新能源。自從七十年代以來，各國(guó)政府和國(guó)際組織都投入了大量的資金用于新能源和可再生能源的開發(fā)和利用，努力建設(shè)一條環(huán)境、資源、人口與經(jīng)濟(jì)開展相協(xié)調(diào)的、可持續(xù)開展的道路。世界上許多國(guó)家出臺(tái)了一系列相關(guān)的扶持政策。如美國(guó)克林頓政府推出的“百萬屋頂方案〞，荷蘭政府1998年在一項(xiàng)新的電力法令中引進(jìn)的“綠色證書方案〞，日本上世紀(jì)90年代提出的“陽光方案〞等等。近年來，我國(guó)提出的“中國(guó)光明工程＂和“乘風(fēng)方案＂，目的就是為加快中國(guó)風(fēng)力發(fā)電開展步伐，中國(guó)在幾年前制定了到2021年的風(fēng)力發(fā)電開展遠(yuǎn)景規(guī)劃目標(biāo)，并在2005年2月28日全國(guó)人大常委會(huì)表決通過了?可再生能源法?，從法律政策方面保障了風(fēng)力發(fā)電投資者的利益，為鼓勵(lì)風(fēng)力發(fā)電的開展邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[1]。同時(shí)，為使北京2021年奧運(yùn)會(huì)成為綠色奧運(yùn)，北京市在2021年奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館的電力供給中，20%的電力供給是來自于風(fēng)能發(fā)電。無論從經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益上看，風(fēng)電開展的效果都是巨大的。因此，世界上許多國(guó)家把開展風(fēng)力發(fā)電作為改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一種措施，納入國(guó)家開展規(guī)劃，日益受到世界各國(guó)的重視。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷開展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)也在不斷成熟，并逐漸形成的開展主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：(1)單機(jī)容量不斷上升。德國(guó)2003年上半年安裝的風(fēng)機(jī)平均額定功率為1558.54kW，單機(jī)容量為5Mw的風(fēng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段。到2002年底，世界總裝機(jī)容量為32037MW,而歐洲占全世界的74.4%，為23832MW[2]。到2021年全世界總裝機(jī)容量超過140000MW，預(yù)計(jì)到2021年全世界風(fēng)力發(fā)電量將占全世界總發(fā)電量的10%[3]。無齒輪箱系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)方式增多。去掉齒輪箱雖然提高了發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)〔1〕從陸地向海面拓展。海面的廣闊空間和巨大的風(fēng)能潛力使得風(fēng)機(jī)從陸地移向海面成為一種趨勢(shì)。目前只有少數(shù)國(guó)家建立了海上風(fēng)電場(chǎng)，但從2006年開始，歐洲已大規(guī)模地建立海上風(fēng)力場(chǎng)。節(jié)技術(shù)將得到更多的應(yīng)用：在發(fā)電機(jī)類型上，控制靈活的雙饋型異步發(fā)電機(jī)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的永磁發(fā)電機(jī)獎(jiǎng)成為風(fēng)力發(fā)電的新寵；在勵(lì)磁電源上，隨著電力電子技術(shù)輪箱系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)將更加吸引人們的注意。風(fēng)電還具有較大的外部效益，首先風(fēng)能的利用替代了傳統(tǒng)的化石能源，減少了化石能源的枯竭危機(jī)，其次風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程中，溫室氣體和有害物質(zhì)的排放根本為零，保護(hù)了人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。正是由于具有正的外部性，風(fēng)電的市場(chǎng)價(jià)格低于其真正的社會(huì)本錢，在市場(chǎng)機(jī)制下，資源不能有效配置，風(fēng)電的開發(fā)利用受到阻礙，因此政府對(duì)產(chǎn)業(yè)的積極扶持政策對(duì)風(fēng)電的開展至關(guān)重要。年份 新增裝機(jī)容量/MW增長(zhǎng)率%累計(jì)增長(zhǎng)容量/MW增長(zhǎng)率%1997156876361998251761.521015332.961999377950.141393237.222000451719.531844932.422001647843.412492735.11200271109.763203728.522003826416.234030125.79平均增長(zhǎng)率33.4332表1-1世界各國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量比照年間的風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)率超過30%，而煤電、水電、核電等常規(guī)能源的增長(zhǎng)率缺乏我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行了大量的風(fēng)能資源調(diào)查工作，據(jù)國(guó)家氣象局調(diào)查說明，我國(guó)陸地上的可開發(fā)的風(fēng)力資源在2.53億k以上，沿海水深為2～15m雖然我國(guó)風(fēng)能資源十分豐富，但是具備規(guī)模開發(fā)利用的地區(qū)主要幾種在新疆、甘肅，河北，東北等地區(qū)。中國(guó)風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的開展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速開展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；?，風(fēng)電本錢有望再降。因此，風(fēng)電領(lǐng)域逐漸成為越來越多投資者的逐金之地。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為1.3風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是要解決如何對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行有效的模擬，因此，于實(shí)現(xiàn)、并且具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，由于風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)力機(jī)出廠時(shí)就固定的，所以風(fēng)力機(jī)特性模擬系統(tǒng)的功率曲線都是事先給定的，發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率和輸出轉(zhuǎn)矩是隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的變化而變化。因此在模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性的時(shí)候就需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｋ袁F(xiàn)階段的模擬方案大多是基于直流電動(dòng)機(jī)的控制方案，在風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)中廣泛用做原動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特性。因此，本文選用直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。模擬系統(tǒng)中利用直流電動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)，拖動(dòng)測(cè)功機(jī)運(yùn)行。調(diào)壓器經(jīng)過不可控整流把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，在通過直流斬波裝置來對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速?！?〕與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)仍然存在一些缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜、體積大、價(jià)格高等。因此在風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)中，也有采用交流電動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的。但是利用交流電動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，控制實(shí)現(xiàn)也較復(fù)雜，所以在風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)中，應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性較少。究中，利用兩組雙饋發(fā)電機(jī)組進(jìn)行對(duì)拖來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖中第一組雙饋發(fā)電機(jī)作為模擬系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)做電動(dòng)運(yùn)行，拖動(dòng)第二組雙饋發(fā)電機(jī)組來進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。采用兩組雙饋發(fā)電機(jī)組對(duì)拖的試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)備需要較多，研究經(jīng)費(fèi)較大，所以在實(shí)驗(yàn)室中一般都不采用這種方法。但在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器生產(chǎn)廠商中較為流行。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，要對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究試驗(yàn)，最理想的方法就是在風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)把風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接相連進(jìn)行試驗(yàn)。但這樣做所需的研究經(jīng)費(fèi)比擬多，對(duì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境要求較高，在實(shí)驗(yàn)室條件下很不現(xiàn)實(shí)。對(duì)于小型的風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，可以采用一個(gè)大的風(fēng)扇吹動(dòng)小型風(fēng)力機(jī)從而拖動(dòng)發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)的研究工作。這種方法對(duì)于大功率的風(fēng)電系統(tǒng)就顯得很不現(xiàn)實(shí)。因?yàn)榇笮偷娘L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)昂貴，還需要對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行選址，并且由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備體積龐大，所以運(yùn)輸與安裝都不方便，因此對(duì)于不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室，模擬出風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工作特性就成為重要研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。使用模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以隨意設(shè)定不同的風(fēng)速模型，而且可以利用同一個(gè)系統(tǒng)，模擬出不同風(fēng)力機(jī)的工作特性，因此簡(jiǎn)化了風(fēng)電技術(shù)的研究過程，節(jié)省了研究經(jīng)費(fèi)等。所以說對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室研究、探討風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的控制原理、模擬系統(tǒng)的構(gòu)成以及構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這樣就解決了在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)研究的問題。1.4.2研究?jī)?nèi)容風(fēng)力機(jī)特性主要表現(xiàn)為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率或者轉(zhuǎn)矩與不同風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性模擬，就是使進(jìn)行模擬的系統(tǒng)輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)速與設(shè)定的風(fēng)速滿足風(fēng)力的輸出特性?？梢岳秒妱?dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性，進(jìn)行對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究。當(dāng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速進(jìn)行調(diào)速時(shí)，調(diào)速線性度不好且調(diào)速范圍窄，而采用變頻調(diào)速那么控制復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的線性度較高，調(diào)速范圍較寬，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的磁通保持不變時(shí)，其轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的電樞電壓為線性關(guān)系。這樣對(duì)于聯(lián)接不同負(fù)載的直流電動(dòng)機(jī)，只要保持磁通大小，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓就能得到不同的轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率。因此在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用直流電動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)本文研究的內(nèi)容是風(fēng)力機(jī)特性的模擬。進(jìn)行的研究工作主要有以下幾個(gè)方面：1〕本文首先對(duì)模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了當(dāng)前幾種較為常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在此根底上對(duì)風(fēng)力機(jī)的工作原理進(jìn)行了分析，以及對(duì)最大風(fēng)能捕獲的原理和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率和轉(zhuǎn)矩的特性分析，確定模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的根本控制策略，模擬方案和實(shí)施方法與步驟。2〕建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用仿真結(jié)果確定根本的PI控制參數(shù)等，并證明所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)方案是否可以可行。所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)能使直流電機(jī)模擬系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)特性曲線的任一點(diǎn)上。直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的原理及方法風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要的組成局部，風(fēng)力機(jī)承當(dāng)將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的任務(wù)，既然要研究風(fēng)電技術(shù)，那么最理想的實(shí)驗(yàn)方法就是在風(fēng)場(chǎng)中直接對(duì)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是由于風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境往往很惡劣，而且風(fēng)力發(fā)電設(shè)備都很龐大，安裝與卸載都很不方便，因此，在風(fēng)場(chǎng)中直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)很不現(xiàn)實(shí)。于是，人們?cè)O(shè)計(jì)出風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)來代替實(shí)際的風(fēng)力機(jī)做實(shí)驗(yàn)。本章介紹了當(dāng)前風(fēng)力機(jī)模擬的原理和以及本課題中利用MATLAB/Simulink仿真的原理和結(jié)果。2.1風(fēng)能的貝茲理論[11]風(fēng)能作為一種穩(wěn)定性較差的新能源，風(fēng)力機(jī)承當(dāng)?shù)淖饔镁褪菍L(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，但是由于通過風(fēng)力機(jī)后的風(fēng)速不可能變?yōu)榱悖哉f風(fēng)力機(jī)不可能把所有流經(jīng)它的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也就是說只有一局部風(fēng)的能量被吸收，成為槳葉的機(jī)械能。為了研究方便，人們?cè)谘芯匡L(fēng)能的時(shí)候定義了一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)。Cp=E/Ein=Pm/Pw(2-1)式中：E-tPm-t單位時(shí)間內(nèi)葉輪吸收并且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能，即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率；Pw-t單位時(shí)間內(nèi)通過葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機(jī)的輸入功率。為討論這個(gè)問題，貝茲假設(shè)了一種理想的風(fēng)輪，即假定風(fēng)力是一個(gè)平面槳盤流是均勻的；氣流速度的方向在通過風(fēng)輪前后都是與風(fēng)輪軸線平行的。設(shè)Ｅ為被風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能，也就是氣流通過風(fēng)輪機(jī)后，使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，這局部能量可以用作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的作用力與風(fēng)力葉片截面處的風(fēng)速的乘積來表示：E=Fv(2-2)公式中F為風(fēng)能作用在風(fēng)力機(jī)的作用力，v是風(fēng)速：根據(jù)物理學(xué)的動(dòng)量守恒可以得出：E=(mv12-mv22)/2式中m=ρSv,ρ是空氣密度，S為風(fēng)輪截面面積，v1為風(fēng)輪進(jìn)入風(fēng)輪機(jī)頁(yè)面前的E=(mv12-mv22)/2=ρSv(v12-v22)/2(2-3)ρS(v12-v22)/2(2-4)根據(jù)流體動(dòng)量原理，氣流作用在風(fēng)輪機(jī)上的作用力等于單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)輪機(jī)葉面的氣流量的變化量：F=mv1-mv2=ρS(v12-v22)(2-5)由式〔2-4〕和〔2-5〕可以得出：v=(v1+v2)/2(2-3)E=ρS(v1+v2)(v12-v22)/4(2-6)v1ρ,S式(2-6)上式就是貝茲推導(dǎo)出的理論上的風(fēng)利用系數(shù)的極限值。貝茲所計(jì)算出的風(fēng)能利用系數(shù)是在外界條件理想的情況下得到的，但是實(shí)際中，風(fēng)力機(jī)的阻力，風(fēng)力機(jī)的能量損耗等等都是不可防止的、也是必須考慮的，所以一般水平軸的風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括作為原動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)和轉(zhuǎn)換能量用的發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)的作用就是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，作為原動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力機(jī)的效率在很大程度上就決定了整個(gè)發(fā)電機(jī)組的效率。風(fēng)力機(jī)的效率的大小，由風(fēng)力機(jī)是否運(yùn)行于最正確狀態(tài)所決定，如果風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于超載或者負(fù)載狀態(tài)，它的效率就會(huì)降低。所以說風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)就決定了整個(gè)發(fā)電機(jī)組的功率。由空氣動(dòng)力學(xué)特性可以知道，風(fēng)力機(jī)的輸出功率為：Pm=0.5ρπCp(λ)V3R2(2-10)公式中各個(gè)符號(hào)的意義為：ρ—空氣密度，為1.25kg/m3；Cp—風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)；R—風(fēng)力機(jī)葉片半徑；V—進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的風(fēng)速。風(fēng)能利用系數(shù)作為一個(gè)與風(fēng)速、葉片半徑、轉(zhuǎn)速都有關(guān)系的物理量，是表征風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，但是風(fēng)能利用系數(shù)是由風(fēng)力機(jī)本身的特性所決定的。為了討論具有普遍意義風(fēng)力機(jī)特性，人們又定義了一個(gè)風(fēng)力機(jī)的重要參數(shù)，葉尖速比λ，即風(fēng)力機(jī)的葉片葉尖的線速度和風(fēng)速的比值：λ=Rω/v=R2πn/60v=Rπn/30v(2-11)ω與風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率密切相關(guān)的是葉尖速比。葉尖速比λ只有在到達(dá)一定值時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp才能到達(dá)最大值。風(fēng)力機(jī)可以分為變槳距和定槳距兩類。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對(duì)槳葉進(jìn)行節(jié)距角控制外，還須通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來調(diào)節(jié)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使之在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比到達(dá)最正確，以捕獲最大的風(fēng)能。變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp。是葉尖比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。如果保持槳葉節(jié)距角β不變，變槳距風(fēng)力機(jī)也就變成定槳距風(fēng)力機(jī)，由于定槳距風(fēng)力機(jī)具有的特性是變槳距風(fēng)力機(jī)的根本情況，因此具有普遍意義，可以作為討論追蹤最大風(fēng)能的依據(jù)，因此，本文把定槳距風(fēng)力機(jī)及其特性作為研究的重點(diǎn)。由于槳葉距角被固定下來，所以，風(fēng)能利用系數(shù)就變成只與葉尖速比有關(guān)的函數(shù)，那么風(fēng)能利用系數(shù)就可以用一條曲線來表示。在設(shè)定一個(gè)固定的風(fēng)速后，按照轉(zhuǎn)速的不同就可以得到不同的葉尖比，然后圖2-1風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲圖2-2不同風(fēng)速下電機(jī)輸出功率是隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的，從圖中可以看出對(duì)于不同的風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)的的輸出功率都有一個(gè)最大值，假設(shè)把不同風(fēng)速下的最大功率值點(diǎn)連接起來，就形成了風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，也叫做風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線。無論風(fēng)速怎么變化，都希望風(fēng)力機(jī)可以始終運(yùn)行在最正確功率曲線上，這樣風(fēng)機(jī)理就可以保持輸出的功率最大。2.3風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理與控制策略作為定槳距風(fēng)力機(jī)的開展和改良，變槳距風(fēng)力機(jī)的根本特性也是定槳距風(fēng)力機(jī)的特性。所以定槳距風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性可以作為追蹤最大風(fēng)能的依據(jù)，具有代表意義。風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)重要的目的就是在保證機(jī)組運(yùn)行可靠。本錢適當(dāng)?shù)那疤嵯?，希望可以最大限度的利用風(fēng)能，以獲得盡可能多的發(fā)電量，到達(dá)良好的經(jīng)濟(jì)效益。，這就要提高機(jī)組的運(yùn)行效率。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可以劃分為三個(gè)區(qū)域[13]，如表2-1所示。風(fēng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)Cp恒定區(qū)當(dāng)風(fēng)速到達(dá)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速由零逐漸增大，直至到達(dá)發(fā)電機(jī)可以切入電網(wǎng)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)組開始運(yùn)行，并向電網(wǎng)輸送電能。通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以使Cp上升，最后當(dāng)Cp=Cpmax時(shí)，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入Cp恒定區(qū)，此時(shí)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最正確狀態(tài)。這段區(qū)域主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的阻力矩〔有功功率給定值〕，讓轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速而變化，使λ=λmax,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。轉(zhuǎn)速恒定區(qū)由于發(fā)電機(jī)組有允許的最大轉(zhuǎn)速限制，所以，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速不可能無限增大，最終會(huì)到達(dá)發(fā)電機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速。維持這一轉(zhuǎn)速不變，隨著風(fēng)速的增大，Cp值減小，機(jī)組的功率在增大。功率恒定區(qū)機(jī)械系統(tǒng)都要受到本身特性的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要受功率限制和轉(zhuǎn)速限制。隨著風(fēng)速增加和風(fēng)力機(jī)功率的增大。發(fā)電機(jī)最終到達(dá)功率極限。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須下降，使Cp迅速降低，從而維持該功率不變。使它們維持在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求的轉(zhuǎn)速和輸出功率限定值以下。在風(fēng)能最大捕獲的Cp恒定區(qū)，需要通過風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的配合，使機(jī)組根據(jù)CpCpmax機(jī)輸出最大機(jī)械功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率也應(yīng)相應(yīng)地與之配合。由于在不同的風(fēng)速下的輸出功率曲線都存在一個(gè)最大的功率點(diǎn)，當(dāng)把各種風(fēng)速下的最大功率值點(diǎn)連成最正確功率曲線的時(shí)候，就形成了風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線。從最正確功率曲線可以看出，它反映了風(fēng)力機(jī)機(jī)械輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系是立方關(guān)系。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，以此功率信號(hào)作為發(fā)電機(jī)的給定有功功率，與發(fā)電機(jī)輸出電功率的反應(yīng)信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使風(fēng)力機(jī)在各種風(fēng)速下均按最大功率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率配合調(diào)節(jié)示意圖如圖2-3所示[19]。設(shè)開始的風(fēng)速為V1，此時(shí)風(fēng)力機(jī)可以穩(wěn)定的運(yùn)行在最正確功率曲線Popt的A點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率和發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率在Pa點(diǎn)到達(dá)平衡，這時(shí)風(fēng)力機(jī)將以轉(zhuǎn)速ω1的值穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)由于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械慣性和調(diào)節(jié)過程的滯后性，短時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)仍將暫時(shí)運(yùn)行在A點(diǎn)，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸入功率大于輸出功率，功率的差值將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升。力機(jī)功率曲線與最正確曲線在C點(diǎn)相交時(shí)，功率將再一次到達(dá)平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行在對(duì)應(yīng)于風(fēng)速V2的最正確轉(zhuǎn)速ω2上。圖2-4他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性方程可以由圖2-4他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路圖得到[14]:(2-12)式中Te—電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Cm?—電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；U—電動(dòng)機(jī)電樞電壓；ia—電動(dòng)機(jī)電樞電流；電樞繞組電感可由下式估計(jì)[15]:L=(2-13)其中C0取法：有補(bǔ)償繞組為0.1，無補(bǔ)償繞組為0.4.由方程組(2-12)可整理出直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性模型：=+(2-14)由電壓平衡方程可以看出，電磁現(xiàn)象的一個(gè)方面是當(dāng)電樞繞組中有電流流過的時(shí)候，電樞繞組便會(huì)產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩；電磁現(xiàn)象的另一個(gè)現(xiàn)象是，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用力下，電樞繞組開始轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組還要做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，這樣電樞導(dǎo)體又產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，其中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流方向與電樞電流方向相反，有阻止電流增大或者減小的趨勢(shì)。所以這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一種反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)為：Ea=Ce?n(2-15)勵(lì)磁控制即控制磁通?，其控制功率雖然較小，但是低速時(shí)候受磁極飽和的限制，高速時(shí)候又受換向器結(jié)構(gòu)和換向器火花的限制，而且因?yàn)閯?lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法在實(shí)際的應(yīng)用的用的較少，而是選擇改變電樞端電壓的調(diào)速方法，改變電樞端電壓可以通過在電樞回路中串聯(lián)電阻的方法或者是直接控制電樞電壓法。串聯(lián)電阻的方法雖然控制設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、輸出波動(dòng)小、線性好、對(duì)臨近電路干擾小，但是缺點(diǎn)也很明顯，缺點(diǎn)是能耗損耗大、效率低、散熱差并且不適合大功率的電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，各種高頻大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件的實(shí)用化，出現(xiàn)了一種所謂PWM斬波器調(diào)壓方式，這就是：斬波調(diào)壓調(diào)速方法，即利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期，以到達(dá)變電壓目的?；蛘呖刂齐妷好}沖寬度和脈沖列的周期以到達(dá)變壓變頻的目的。因此在直流電機(jī)的速系統(tǒng)中通常以調(diào)壓調(diào)速為主。要想在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，就必須要在實(shí)驗(yàn)室條件下，搭建風(fēng)力機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而模擬現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的情況。由于直流電機(jī)具有調(diào)速性能好，出力大，調(diào)速范圍廣并且控制簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以要是能夠用直流電動(dòng)機(jī)來代替風(fēng)力機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的特性模擬實(shí)驗(yàn)，就可以方便的在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的研究[17]。正是由于直流電機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，本文選用直流電動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行模擬。要利用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性的模擬，首先需要掌握風(fēng)力機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的特性的差異。直流電動(dòng)機(jī)的輸出功率可以寫做：(2-17)式中：Cm—直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可寫為：(2-18)以上公式可以看出，由于Ce?，Ra，都是常數(shù)，假設(shè)保持電機(jī)的磁通?不變，也就是電機(jī)的勵(lì)磁電流不變，那么只要能確定Pm與n的值，就可以得到電機(jī)電樞繞組端電壓的值。而當(dāng)電壓保持不變時(shí)，電機(jī)輸出功率Pm與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成平方的關(guān)系，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Te與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，Te—n是一條直線，當(dāng)連續(xù)改變電樞電壓U時(shí)，就可以得到一組曲線。也就是說通過改變電樞繞組上的端電壓的值，就可以使電機(jī)運(yùn)行在圖2.1上曲線的任意一點(diǎn)上，也就可以模擬出風(fēng)力機(jī)的特性曲線。風(fēng)力機(jī)本身是一種能量的轉(zhuǎn)換裝置，用直流電機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)并不是簡(jiǎn)單的直流電機(jī)調(diào)速控制，本質(zhì)上應(yīng)該是對(duì)直流電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。由的輸出功率，但是，由于電樞電壓U的測(cè)量精度受到轉(zhuǎn)速n的精度影響，所以用調(diào)節(jié)電樞電壓來控制直流電機(jī)的輸出功率必然有很大的誤差。公式〔2-18〕得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以由電樞電流來控制，由于電樞繞組的電流與直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Te成線性關(guān)系，并且電流信號(hào)的抗干擾能力要比電壓信號(hào)要強(qiáng)，不易受到外界干擾信號(hào)的影響，而且相對(duì)于功率控制方案來說，轉(zhuǎn)矩的控制方案具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，控制精度較高等優(yōu)點(diǎn)，所以本文的控制方案選用轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制雙作用的控制方案。由于實(shí)際的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，要想使發(fā)電機(jī)獲得較大的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，就必須要提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以，一般實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)都要通過一個(gè)變速齒輪箱來提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[18]，而在實(shí)驗(yàn)室里，直流電動(dòng)機(jī)是直接與測(cè)功機(jī)相連接的，所以本文當(dāng)中的變速比就是1。整體的控制過程是首先通過測(cè)量得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速，除以齒輪變速箱的變速比后得到風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)公式〔2-11〕算出葉尖速比λ。求出λ后根據(jù)風(fēng)能求出電機(jī)的電樞電流作為電機(jī)的第一個(gè)控制量；第二個(gè)控制量是通過給定的轉(zhuǎn)速與反應(yīng)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出的轉(zhuǎn)速，這樣用２個(gè)控制量共同作用控制電機(jī)。通過電流的PI調(diào)節(jié)器送出電壓控制信號(hào)，進(jìn)而控制直流電機(jī)電樞的外加電壓大小的控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)。把電樞繞組的電流作為控制變量，轉(zhuǎn)矩作為控制指令。實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的特性[19]。本課題利用測(cè)功機(jī)來實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)力機(jī)的負(fù)載，通過上位機(jī)對(duì)測(cè)功機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)，模擬出風(fēng)力機(jī)輸出的最正確功率曲線。由以上分析，設(shè)計(jì)的直流電機(jī)模擬控制系統(tǒng)原理圖如圖2-5所示。圖2-5直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性控制原理圖第3章風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型3.1概述在實(shí)際風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)中，風(fēng)是風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的源動(dòng)力。虛擬風(fēng)場(chǎng)是否能夠真實(shí)地反映出真實(shí)風(fēng)場(chǎng)的根本特性，是本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)輪機(jī)模擬系統(tǒng)能否正確模擬出實(shí)際風(fēng)輪機(jī)在不同風(fēng)況下的動(dòng)態(tài)輸出特性的關(guān)鍵，也是研究風(fēng)輪機(jī)模擬系統(tǒng)時(shí)首先要解決的問題。風(fēng)能是一種能量密度較低，穩(wěn)定性較差的能源。風(fēng)是自然界的產(chǎn)物，無法控制，風(fēng)速的變化可以看作是隨機(jī)的，但是從長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的角度來看也有一定的規(guī)律性。自然界的風(fēng)并不是由單一元素組成，根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)分析，通?？梢园炎匀伙L(fēng)速簡(jiǎn)化分解為四種分量，分別是：根本風(fēng)速、漸變風(fēng)速、陣性風(fēng)速和隨機(jī)噪聲風(fēng)速。以上四種風(fēng)互相的疊加，根本可以反映出通常情況下風(fēng)速的變化情況。由于風(fēng)速的易變性和不可控性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎時(shí)刻遭受較大程度的擾動(dòng)，這種擾動(dòng)無論對(duì)機(jī)組本身還是對(duì)與之相連的電力系統(tǒng)，都將產(chǎn)生一定的影響。因此，在研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、規(guī)劃及動(dòng)態(tài)特性等有關(guān)問題時(shí)就需要建立與之相適應(yīng)的風(fēng)速模型，從而能夠?qū)︼L(fēng)速的變化進(jìn)行模擬，研究在一定風(fēng)速條件下系統(tǒng)的性能。在研究風(fēng)速變化過程中風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)的相互影響問題時(shí)，通常采用的風(fēng)速數(shù)學(xué)模型都是假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速相同，而沒有考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的變化睜引。實(shí)際上，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機(jī)時(shí)會(huì)損失局部能量，表現(xiàn)為風(fēng)速的降低；同時(shí)由于尾流效應(yīng)的影響，在某一風(fēng)向上，坐落在下游風(fēng)力機(jī)的輸入風(fēng)速要低于上游風(fēng)力機(jī)的輸入風(fēng)速。風(fēng)力機(jī)相距越近，前面風(fēng)力機(jī)對(duì)后面風(fēng)力機(jī)的影響就越大。為了充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源和發(fā)揮規(guī)模效益，大型風(fēng)電場(chǎng)通常由幾十臺(tái)甚至數(shù)百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，受場(chǎng)地和其它條件的限制，這些機(jī)組不可能相距太遠(yuǎn)。因此，在準(zhǔn)確描述風(fēng)速擾動(dòng)下風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)特性及其與電力系統(tǒng)的相互影響問題時(shí)，有必要考慮尾流效應(yīng)對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的影響，只有這樣，才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，從而使研究結(jié)果更具有實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。但由于本文采用單一的風(fēng)力機(jī)，故模擬時(shí)，不考慮尾流效應(yīng)等的影響，只采用簡(jiǎn)單的風(fēng)速模型。3.2風(fēng)速的四種分量模型1、根本風(fēng)速表示風(fēng)速中不隨時(shí)間變化的分量，可以看作是一個(gè)常數(shù)。2、漸變風(fēng)速用于描述風(fēng)速變化的過程中逐漸變化的成分，漸變風(fēng)速變化的大致趨勢(shì)如圖圖3—1漸變風(fēng)隨時(shí)間變化曲線其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-1〕其中：為漸變風(fēng)開始時(shí)間，為漸變風(fēng)終止變化時(shí)間，為最大風(fēng)速保持時(shí)間，為漸變風(fēng)最大值。3、陣性風(fēng)速用于描述風(fēng)速的變化過程中突然變化的成分，其變化趨勢(shì)如下圖：圖3—2陣性風(fēng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)陣性風(fēng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-2〕其中：為陣性風(fēng)開始時(shí)間，為陣性風(fēng)持續(xù)時(shí)間，為陣性風(fēng)最大值。4、隨機(jī)噪聲風(fēng)速用于描述風(fēng)速變化中的隨機(jī)波動(dòng)特性，是由一些諧波分量所構(gòu)成的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-3〕其中：為風(fēng)速隨機(jī)波動(dòng)量的最大值，為風(fēng)速波動(dòng)的平均間距，通常取0.5π～2π，為初相角，取0～2π之間平均分布的隨機(jī)數(shù)[12]。3.3風(fēng)速模型仿真風(fēng)速模型的仿真驗(yàn)證為了驗(yàn)證上述風(fēng)速數(shù)學(xué)模型的可行性和正確性，使用Matlab/Simulink軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。圖3—3陣風(fēng)模塊圖3—4隨機(jī)風(fēng)模塊圖3—5漸變風(fēng)模塊下面分別驗(yàn)證四種風(fēng)速圖3—6是漸變風(fēng)的根本模型，根本風(fēng)速選取11.5m/s在2s時(shí)開始變化，8s時(shí)到達(dá)一個(gè)新的風(fēng)速即10m/s。圖3—6漸變風(fēng)的根本模型圖3—7為陣風(fēng)的根本模型，在4s前保持根本風(fēng)速為10.5m/s，在4s到8s的時(shí)間內(nèi)變化，最后到8s后又到達(dá)穩(wěn)定。圖3—7陣風(fēng)的根本模型圖3—8為隨機(jī)風(fēng)的模型，隨機(jī)風(fēng)輻值為1m/s。圖3—8隨機(jī)風(fēng)根本模型圖3—9為隨機(jī)風(fēng)與漸變風(fēng)疊加后產(chǎn)生的風(fēng)速模型，根本風(fēng)速選取11.5m/s在4s時(shí)開始變化，8s時(shí)到達(dá)一個(gè)新的風(fēng)速即10m/s。圖3—9隨機(jī)風(fēng)與漸變風(fēng)疊加后的風(fēng)速模型圖3—10為隨機(jī)風(fēng)與陣風(fēng)疊加的風(fēng)速模型，在4s前保持根本風(fēng)速為10.5m/s，在4s到8s的時(shí)間內(nèi)變化，最后到8s后又到達(dá)穩(wěn)定。圖3—10隨機(jī)風(fēng)與陣風(fēng)疊加的風(fēng)速模型第4章風(fēng)力機(jī)模擬器的仿真研究4.1MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB軟件作為當(dāng)今世界最流行的第四代計(jì)算機(jī)語言，由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，在科學(xué)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)控制、系統(tǒng)建模與仿真、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)控制、圖形圖像處理、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、通信系統(tǒng)、DSP處理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)、電子商務(wù)、等不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Simulink是Matlab所提供的用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境，是結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具。4.1.1MATLAB軟件的典型特點(diǎn)〔1〕強(qiáng)大的數(shù)值和符號(hào)計(jì)算能力〔2〕簡(jiǎn)單易學(xué)的語言〔3〕強(qiáng)大的圖形功能〔4〕獨(dú)具特色的應(yīng)用工具箱[13]4.1.2Simulink的根底應(yīng)用Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展和特色表達(dá)，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其優(yōu)點(diǎn)是使用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言上的編程。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的根本系統(tǒng)的功能模塊，用戶只需要知道這些功能模塊的輸入輸出及功能模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)和工作的，通過對(duì)這些根本功能模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，從而完成系統(tǒng)仿真模型的分析與構(gòu)建[14]。Simulink提供了一種函數(shù)規(guī)那么——S函數(shù)。S函數(shù)可以是一個(gè)M文件、C語言程序或者其他高級(jí)語言程序。Simulink模型或者功能模塊可以通過一定的語法規(guī)那么來調(diào)用S函數(shù)。正是由于S函數(shù)的引入，才使得Simulink更加充實(shí)，處理能力更加強(qiáng)大[13]。Simulink的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是它的開放性，它允許用戶制定自己的功能模塊和模塊庫(kù)。Simulink提供了13個(gè)子模型庫(kù):Continuous(連續(xù)模塊)、Diserete(離散模塊)、Look-UpTables(查詢表模塊庫(kù))、MathOperations(數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù))、Modelverification(模型驗(yàn)證模塊庫(kù))、Model-WideUtilities〔模塊實(shí)用模塊庫(kù)〕、Ports&Subsystem(端口和子系統(tǒng)模塊庫(kù))、SignalAtributies〔信號(hào)屬性模塊庫(kù)〕、SignalRouting〔信號(hào)路由模塊庫(kù)〕、Sinks〔接收器模塊庫(kù)〕、Sources〔輸入源模塊庫(kù)〕、Used-DefinedFunctions〔用戶定義模塊庫(kù)〕、Discontinuities〔非線性模塊庫(kù)〕。在以上每個(gè)子模型庫(kù)中還包含有相應(yīng)的功能模塊，如MathOperations模塊庫(kù)里面的Gain〔常量增益模塊〕，Sinks模塊庫(kù)里面的scope(示波器)，Used-DefinedFunctions模塊庫(kù)里面的S-Function〔調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行計(jì)算〕等等。功能模塊的重要操作方法有：移動(dòng)、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、顏色設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、屬性設(shè)定、模塊輸入輸出信號(hào)的設(shè)定等等。Simulink的運(yùn)行操作。運(yùn)行Simulink有三種方式:(1)在Matlab的命令窗口直接鍵入Simulink；(2)點(diǎn)擊Matlab的工具條上的simulink的快捷鍵圖標(biāo)；(3)在Matlab的菜單中，選擇FileNewModel，會(huì)彈出新建立的模型窗口，名為untitled。圖4—1Simulink模塊庫(kù)瀏覽器PowersystemBloekset(電力系統(tǒng)模塊庫(kù)),包括10類模塊庫(kù)，即電源元件庫(kù)〔ElectricalSources〕、線路元件庫(kù)〔Elements〕、電力電子元件庫(kù)〔PowerElectronics〕、電機(jī)元件庫(kù)〔Machines〕、連接器元件庫(kù)〔Connectors〕、電路測(cè)量模塊元件庫(kù)〔Measurements〕、附加元件庫(kù)〔Extras〕、演示教程〔Demos〕、電力圖形讀者接口〔Powergui〕和電力系統(tǒng)元件庫(kù)〔Powerlib-models〕。如圖5—2所示。圖4—2SimPowerSystem〔電力系統(tǒng)模塊庫(kù)〕4.2平波電抗器平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。4.3風(fēng)力機(jī)選擇選擇風(fēng)力機(jī)型號(hào)型號(hào)：FD5-3葉輪直徑：10m葉片材料：GFRP葉片數(shù)目：3支切入風(fēng)速：3.5m/s切出風(fēng)速：20m/s抗大風(fēng)速：50m/s額定風(fēng)速：10.5m/s額定轉(zhuǎn)速：220r/min額定功率：3kW最大功率：4kW塔架方式：拉線鋼管控制方式：智能控制發(fā)電機(jī)：釹鐵硼永磁低速發(fā)電機(jī)輸出電壓：〔直流〕228V輸出電壓：〔交流〕220V偏航方式：尾翼自動(dòng)跟蹤風(fēng)向功率調(diào)節(jié)：離心錘同步自動(dòng)變槳距或尾翼自動(dòng)偏側(cè)和電加負(fù)載停機(jī)方式：手動(dòng)剎車塔高：8m整機(jī)重量：1500kg逆變電源：3000W/220V/50Hz蓄電池：150Ah/18節(jié)4.4直流機(jī)的控制4.4.1根本控制思想風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性為非線性關(guān)系。而直流機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性為線性關(guān)系。圖4—8風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為：(4-1)式中：為空氣密度，為一個(gè)常數(shù)，通常情況下，即20攝氏度時(shí)，取1.205kg/m3R為風(fēng)力機(jī)葉片的半徑，單位為m；V為風(fēng)速，單位為m/s；λ為葉尖速比，是風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，為葉片的葉尖速速度與風(fēng)速之比，可以表示為(4-2)式中，為風(fēng)輪角速度，單位；n是風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為。將λ代入轉(zhuǎn)矩公式，可以得到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系[19]：〔4-3〕圖4—9此風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性在MATLAB/SIMULINK中，直流電動(dòng)機(jī)模型輸入為轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式：(4-4)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩即可到另一量?，F(xiàn)將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速公式代入直流電動(dòng)機(jī)中：(4-5)(4-6)轉(zhuǎn)速n可以由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩代替：(4-7)最終可得電動(dòng)機(jī)要得到的電樞電壓：(4-8)代入所要求的轉(zhuǎn)矩T便可知道此時(shí)所需電壓。圖4—10根本原理圖提供更為直觀的，操作更為簡(jiǎn)便的建模方式，這將有助于將復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分解為簡(jiǎn)單的“物理〞模塊[21]，適合用來分析發(fā)電機(jī)組的各種運(yùn)行狀態(tài)。5.1風(fēng)力機(jī)模型關(guān)系曲線，由于資料有限，所以本文的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)數(shù)據(jù)來至于參考文獻(xiàn)[36],利用數(shù)據(jù)構(gòu)造分段的多項(xiàng)式函數(shù)利用分段函數(shù)畫出λ—Cp的函數(shù)曲線如圖2-1所示，在圖2-1中選取回一個(gè)向量長(zhǎng)度為n+1的多項(xiàng)式的系數(shù)。本文分別用4次、6次、8次多項(xiàng)式對(duì)葉尖速比圖2-6多項(xiàng)式擬合的轉(zhuǎn)矩特性表2-2轉(zhuǎn)矩特性曲線特征點(diǎn)λCpλCp03.5799e-0036.51.8424e-0010.57.0067e-00372.3723e-00111.1133e-00283.3685e-00122.7089e-00293.8422e-00133.9482e-002103.4855e-00144.7040e-002112.4809e-00157.2135e-00211.51.9078e-0015.59.8974e-002121.3559e-00161.3686e-00112.5-1.1557e-002通過函數(shù)polyfit()可以得到返回?cái)M合的多項(xiàng)式系數(shù)，系數(shù)如表2-3所示。表2-3擬合多項(xiàng)式系數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)取值0.00357990.012256-0.0213380.026674-0.012543多項(xiàng)式系數(shù)取值2.8002e-03-3.1328e-041.7030e-05-3.5930e-07風(fēng)力機(jī)能從風(fēng)能得到的能量是由空氣動(dòng)力學(xué)來決定的，渦輪的功率曲線是由式〔〕其中是功率系數(shù)和風(fēng)力機(jī)上槳葉節(jié)距角β共同定義的。C1和C2，C3和C4，C5和C6是功率系數(shù)，是由風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)決定的[17]。(4-5)(4-6)通過2.3節(jié)的內(nèi)容知道，要想捕獲最大風(fēng)能，需要風(fēng)力機(jī)于發(fā)電相互協(xié)調(diào)配合，在模型當(dāng)中利用給定轉(zhuǎn)矩TL模擬風(fēng)力機(jī)的負(fù)載。首先根據(jù)風(fēng)力機(jī)不同風(fēng)速下的功率曲線得到風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線只甜，利用上面介紹的擬合方法對(duì)只一曲根據(jù)擬合的多項(xiàng)式可以保證電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行在只。曲線上，這樣也就模擬出了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方向。表2-4Popt擬合多項(xiàng)式系數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)取值3.2782e-6-0.00172950.3732-42.3953多項(xiàng)式系數(shù)取值2268.2083-88140.65441193729.4445通過這一節(jié)分析的直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，利用MATLAB/Simulink軟件，搭直流電動(dòng)機(jī)模型以及風(fēng)速變化模型等。首先，利用直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速圖2-7發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)與的導(dǎo)通角，來控制電樞電壓的大小，到達(dá)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是通過給電機(jī)加負(fù)載來實(shí)現(xiàn)的，這里的負(fù)載計(jì)算是利用風(fēng)力機(jī)擬合的最正確功率曲線計(jì)算得到的，這樣就可以保證風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速改變的時(shí)候運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)輸出的最正確功率曲線上。也就到達(dá)了風(fēng)力機(jī)特性模擬的目的。圖2-8直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)仿真模型 〔b〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔c〕風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖2-9風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)速，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線圖在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)由于受外界風(fēng)速條件的影響不可能是恒定不變的，所到結(jié)論。風(fēng)力機(jī)的特性曲線與風(fēng)力機(jī)能提供的最大輸出轉(zhuǎn)矩都會(huì)隨著風(fēng)速的改變而產(chǎn)生變化。如果對(duì)與恒定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，

當(dāng)風(fēng)速減小的話，就有可能出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)

所以要對(duì)測(cè)功機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行大致的實(shí)驗(yàn)給定風(fēng)速〔b〕風(fēng)能利用系數(shù)〔c〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線〔d〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔a〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線〔b〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔c〕風(fēng)能利用系數(shù)曲線〔d〕實(shí)驗(yàn)給定風(fēng)速圖2-11當(dāng)風(fēng)速突加擾動(dòng)時(shí)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的曲線圖進(jìn)入風(fēng)力機(jī)特性曲線，即電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性響應(yīng)速度較快。系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)速在利用直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性時(shí)，需要對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超出了當(dāng)前風(fēng)速下模擬的風(fēng)力機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩來控制直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。通過拖動(dòng)系統(tǒng)理論可以得出結(jié)論，當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性的斜率小于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性的斜率時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)才能平衡。電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是典型的拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)也必須滿足拖動(dòng)平衡原理。從上述仿真波形可以看出，根據(jù)風(fēng)速模型的不同，風(fēng)力機(jī)都可以按照最大風(fēng)能捕獲的原理運(yùn)行工作，并且能夠快速響應(yīng)新的運(yùn)行狀態(tài)，穩(wěn)定的工作在新的運(yùn)先，利用風(fēng)力模型而到在實(shí)際硬件平臺(tái)所需要的PI參數(shù)，在搭建風(fēng)力機(jī)特性模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)候，可以根據(jù)仿真得到的PI參數(shù)在進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整；另一方面通過作用量控制。實(shí)驗(yàn)室研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)提供了一種實(shí)用的方法。本章闡述了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性，分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的機(jī)理，給出了模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，首先采用多項(xiàng)式擬合的方法，對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性曲線和發(fā)電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行曲線進(jìn)行模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算得到的指令對(duì)直流機(jī)進(jìn)行控制，即隨著風(fēng)速的變動(dòng)，改變電樞繞組上的電壓值，使風(fēng)力機(jī)始行性，給出了硬件平臺(tái)所需要的一些參數(shù)，為硬件平臺(tái)的搭建提供了參考數(shù)據(jù)，致謝在我即將完成四年的本科學(xué)習(xí)生活之際，我衷心的感謝我尊敬的導(dǎo)師王淑紅教授，本文是在