开关磁阻风力发电系统最大风能跟踪控制仿真研究
开关磁阻发电机/风力发电/最大风能追踪
1引言
由于能源和环境问题日益突出，作为一种新型的可再生能源，风力发电近年来发展很快。应用于风力发电系统中的发电机也在不断改进。目前，在投入使用的风力发电装置中，应用较多的发电机有异步感应发电机、双馈发电机和永磁同步发电机。但这三种发电机在使用中也存在着不足。普通异步感应发电机转速近似于恒定值，风速变化时转速不能随之变化，无法进行最大功率跟踪，对风能的利用率比较低。双馈电机结构复杂，造价昂贵，运行不稳定，还需要在风轮机和发电机之间安装增速箱，带来了额外的功率损失。永磁同步机可以省去增速齿轮箱，实现变速直驱运行，但永磁材料易退磁，且在输出有功功率的同时也要输出较大的无功功率，效率比较低[1]。作为一种新型的电机，开关磁阻电机具有结构简单，可靠性高，电机损耗小，运行效率高；变速范围宽，适合于高、低速运行，转速可以随风速的变化而改变，能实现最大风能跟踪；可采用直驱式发电，省掉了齿轮箱，提高了风能利用效率；输出为直流电，易于并网等众多优点。综上所述，开关磁阻电机可在一定程度上弥补以上三种发电机的缺点，适合运用于变速恒频风力发电系统，具有一定的发展前景。本文即构建了开关磁阻风力发电系统模型，从风力机的转速—功率特性出发，采用了转速反馈控制方法对开关磁阻风力发电系统的最大风能跟踪进行了仿真研究[2]。
2 SRG的工作原理及控制模式
SRG可采用自励和他励两种发电模式。自励模式在发电电压达到所需的稳定值后，由电机本身所发出的电压向励磁供电。由于之后的电压由本身提供，致使此种模式下对电机的控制比较复杂。他励模式是由外电源向励磁供电，励磁回路与发电回路彼此独立。在SRG的发电运行中，励磁回路可以向系统提供稳定的励磁电压，而与发电电压无关，二者可以独立进行调节，对发电系统来说控制比较方便[3]。本文中即选用了他励模式，他励模式三相SRG主电路示意图如图1所示。
图1 他励模式三相SRG主电路示意图
设θon、θoff分别为主电路元件开通角和关断角。在SRG的发电运行中，其发电过程(θ＞θoff)无法直接控制的，只有通过控制励磁过程(θon＜θ＜θoff)的相电流才能对发电电压进行控制。当SRG转子位置运行到θoff，此时相电流的大小反映了励磁强度和磁场存储能量的大小。显然，SRG的净功率输出为发电功率与励磁功率之差。控制相电流幅值和宽度即可控制发电电压。SRG 控制方式常用的有三种：角度位置控制(APC)、脉宽调制调压控制(PWM)、电流斩波控制(CCC)。三种控制都是调节励磁电流，从而实现对发电机输出功率的调节[4]。本文采用了PWM控制。
3开关磁阻风力发电机的控制方法
目前常用的开关磁阻风力发电系统控制方案主要有三种，分别为风速控制方案、功率扰动控制方案和转速反馈控制方案[5~7]。相对于其他两种方案，转速反馈控制方案不需要安装测风装置，设计起来较简单，且技术较为成熟，效果理想，很大的优势。本系统即采用此种控制方案。
在本系统中，转速反馈控制的工作过程如下。先测出风轮机转速ω，根据风轮机的特征参数(Cpmax，λopt)，计算出风轮机的最大输出功率Pmax，如式1。
Pmax=kωr3（1）
式中
将Pmax作为发电机的给定功率，与发电机的输出功率Pg相比较得到误差ΔP，经过PWM控制器，在主开关控制信号上施加PWM调制信号，通过改变占空比，再结合θon、θoff以及发电机的当前转速n，实现对励磁电流ic的控制。所以通过调节ic就可以调节发电机输出功率Pg。当输出功率变化时可导致电机电磁转矩Tem的变化，从而影响转速变化，流程图如图2所示。
图2 开关磁阻电机风力发电系统工作流程图
系统工作过程如图3，假设在风速v2下，初始时风轮机工作在A点，此时风轮机输出功率为Pa，而发电机对应的给定功率为Pb，即v=v2，ω=ω2，Pmax=Pb，Pg=Pa。可看出风轮机的给定与输出不相等，形成了一个差值ΔP。ΔP作用于PWM控制器，使占空比增大，最后输出电流会
在其控制下上升，这样发电机的输出功率就不断增高，使误差ΔP减少。此过程不断循环，至ΔP=0，完成了整个系统的功率平衡调节。
图3 风轮机的输出特性曲线和最大输出功率曲线
由于系统的机械惯量较大，可认为经过短暂的调节使ΔP下降，而转速n还来不及变化，于是
有
，风轮机的转速降降低，具体调节过程如下：
经过系统的调节，风轮机的工作点沿着v=v2的功率曲线移动，发电机的工作点沿着Pmax曲线移动，最终两者稳定于工作点C点，使ω=ω1，Pmax= Pg=Pc。系统达到了稳定，并跟踪到最大功率。
附表结果对照
4开关磁阻风力发电系统
4.1 风力机数学模型
风机特性的简化数学模型[8]为：
(2)
R为风轮半径；Pm为风机捕获功率。风能利用系数Cp可以用以下数值近似计算公式对其进行描述：
(3)
4.2系统平衡方程
由于SRG的数学模型比较复杂，本文不做详细介绍。当风轮机与发电机相连时，首先需要保证系统的平衡。由于本系统采用直驱式发电，风轮机与发电机直接相连，中间不增设齿轮箱，所以发电机与风机的转速相同，有系统平衡方程如下：
(4)
TL为SRG的拖动转矩，在本系统中即为风力机的输出转矩。SRG在其拖动下进入到发电状态，输出电能。
5仿真模型及分析
由上文分析，可使用Matlab/Simulink分别构建出风力机、SRG以及整个系统的仿真模型。
5.1 风机模型
根据风机的数学模型方程式（2）、式（3）可搭建出风机模型。仿真中所使用的风力机参数为：桨叶节距角固定为0°，额定风速为7m/s，风轮半径为1.25m。参数设置后风力机的功率—转速曲线如图4所示。
图4 风力机功率—转速曲线
图4中风速分别为：v1=5m/s，v2=6m/s，v3=7m/s，v4=8m/s，v5=9m/s。由于本文主要针对额定转速下的风能最大捕获进行研究，所以选取在风速为5m/s，6m/s，7m/s下对系统进行仿真研究。由图4可见，在这三个风速下，风机的最大输出功率Pmax和其对应的角速度ω（为方便与仿真结果对照，将转速n转化为角速度ω）如附表。仿真时只要验证在风速变化时，系统能否跟踪最大功率即可。
5.2 SRG模型
在开关磁阻电机中，功率变换器是重要组成部分。在他励发电模式下，考虑到主开关器件的通态压降，可以得到一个相电流周期内绕组电压的表达式
(5)
式中：uk为第k(k=a，b，c)相绕组电压；UT为功率变换器中主开关器件的通态压降；UD为功率变换器中续流二极管的通态压降。由上式建立的功率变换器模块如图5所示。
模块中，功率变换器使用功率器件建模，代替了以前的函数编写的方式，考虑到了器件的损耗、延时等因素，使仿真结果更接近实际情况。SRG非线性模型构建如图6所示。
5.3 SRG最大风能捕获系统仿真
根据以上所作分析，可以对SRG风力发电系统的最大风能跟踪进行仿真研究。系统仿真模型如图7所示。
图5 SRG功率变换器
图6 SRG仿真模型
图7 SRG风力发电系统仿真图
5.4 仿真结果及分析
由于影响风速的因素比较多，很多参数不易获得，实现起来比较困难，本文在仿真时，将风速模型简化为三种典型的风速变化情况，即阵风、渐变风和随机风。将分别在这三种风速下对开关磁阻风力发电系统的最大风能跟踪能力进行仿真研究。
(1) 阵风
阵风可以反应风速的突然变化。对风速突然变化时系统的功率跟踪情况进行仿真研究，仿真波形如图8。
(a)阵风风速曲线
(b)风轮机与SRG理想角速度与实际角速度曲线
(c)风轮机机械能理想曲线与SRG实际输出功
图8 阵风风速下系统仿真波形
(2)渐变风
渐变风反应了风速的渐变特性，在渐变风的情况下对系统的功率跟踪情况进行仿真研究，仿真波形如图9。
(a)渐变风风速曲线
(b)风轮机与SRG理想角速度与实际角速度曲线
(c)风轮机机械能理想曲线与SRG实际输出功率曲线
图9 渐变风风速下系统仿真波形
(3)随机风
随机风反应了风速的随机波动，在随机风下对系统的功率跟踪能力进行仿真研究，仿真波形如图10。
(a)随机风风速曲线
(b)风轮机与SRG理想角速度与实际角速度曲线
(c)风轮机机械能理想曲线与SRG实际输出功率曲线
图10 阵风风速下系统仿真波形
图8、9、10分别给出了系统在阵风、渐变风、随机风三种风速变化下的仿真图形。系统给定的风速变化如图10（a）所示，风速变化时，整个系统在转速反馈控制方式的控制下的输出波形如图10（b）（c）所示。图10（b）为在给定风速下风轮机与SRG（即整个系统）的理想角速度与实际角速度曲线。理想转速即在此风速下输出最大功率时对应的角速度。从图上可以看出，在三种风速下系统转速能快速且稳定的跟踪到理想的转速。图10（c）为在风速变化下，风轮机机械能理想输出曲线与SRG实际输出功率曲线，可看出SRG实际输出的曲线能很好的跟踪到在此风速下的系统最大输出功率。由以上仿真图形可验证系统在不同的风速变化下均能捕获到最大风能，且跟踪速度快，误差小，跟踪效果良好。
仿真结果说明不论风速是否变化，所建立的开关磁阻风力发电系统均能通过调整转速跟踪到最大功率，使系统捕获到最大风能。
6结束语
本文以他励工作模式的非线性开关磁阻发电机仿真模型为基础，与风力机连接，搭建了开关磁阻风力发电系统。并采用了转速反馈控制方式来实现了系统的最大风能跟踪，使系统在风速任意变化时均可以跟踪到最大风能。仿真结果证明，本系统能够满足设计要求，在风速稳定和变化时，均能准确快速的实现最大风能跟踪。
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风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量； /m ρ——空气密度(3 kg)； /m
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
开关磁阻电机的原理及其控制系统 开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。 一、开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图 图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2 是二极管，是直流电源。 电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A 相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的
开关磁阻电机： 开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。 开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高： 对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点： （1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。 （4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 （9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。 开关磁阻电机的应用： 近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。
开关磁阻电机电动车应用 开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。 SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面： （1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。 （2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 （3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。 （4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。 （5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少
风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2016, 4(1), 55-62 Published Online March 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/8d16841043.html,/journal/jee https://www.doczj.com/doc/8d16841043.html,/10.12677/jee.2016.41008 Speed Control Strategy of Switched Reluctance Motor Zhou Du1,2, Dingxiang Wu2,3, Lijun Tang1,2 1School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 2Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Eletromagnetic Environments, Changsha Hunan 3Billion Set Electronic Technology Co, Ltd., Changsha Hunan Received: Mar. 1st, 2016; accepted: Mar. 19th, 2016; published: Mar. 24th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/8d16841043.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Aimed at research on starting mode and speed control of switched reluctance motor speed control system, a two-phase starting is adopted to start the electric, in order to increase the torque and reduce the torque ripple. A fuzzy adaptive PID control algorithm is proposed, and a switched re-luctance motor speed control system with STM32 + FPGA as the main controller is designed, ap-plying current chopping in low speed and angle position control mode in high speed, which has a certain effect on solving the problems of high overshoot, slow dynamic response and low accuracy. The experimental results show that the precision of the system speed is within 10 r/min, and the maximum overshoot is 15 r/min. Keywords Switched Reluctance Motor, Torque Ripple, Fuzzy Adaptive Tuning PID 开关磁阻电机速度控制 杜舟1,2，吴定祥2,3，唐立军1,2 1长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 2近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙 3长沙亿旭机电科技有限公司，湖南长沙
风力发电系统建模与仿真
风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基 础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及 完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力 /m 的最方便最有价值的量；
1.引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包 括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW 的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPMF运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MV Y 1.5MV y 2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能, 发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱
变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PW M控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW 发电机的定子发电量大概1200KV，转子大约300KV，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3.双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30?55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于 2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4?5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑??大家看到发电机的轴承就知道了。 电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频 器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外 定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑， 转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴 电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子 绕组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于 30%，以缩小变频器的功率。
开关磁阻电机控制系统软件设计 开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而出现的一种新型调速系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为交流、直流和无刷直流电动机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业的广泛关注。 1 基本控制策略 开关磁阻电机基本控制策略主要包括电流斩波控制（CCC）、电压PWM 控制、角度位置控制（APC）三种控制策略。 电流斩波控制的优点是可限制电流峰值的增长，保护开关器件的安全，并起到良好有效的调节效果，因此适用于低速调速系统。当相电流超过约定的上限电流值时，则主开关关断，当相电流低于约定的下限电流值时，则组合开关开通，从而实现电流斩波控制效果。 电压PWM控制是通过调整占空比，来调节相绕组的平均电压，以改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，电压PWM控制的特点是通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统，而且控制也较简单。 角度位置控制是指对开通角和关断角的控制。它的实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开关的开通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩的目的。角度控制的优点是转矩调节范围较大，可允许多相同时通电，以增加电机输出转矩，可实现效率最有控制和转矩
最优控制。 为了实现开关磁阻电机良好的调速性能，该软件设计采用以下组合控制策略，即电机基速以下运行时，采用电流斩波控制方式；在中低速下，采用电压PWM控制方式；而在高速运行时，采用角度位置控制方式。 2 软件设计 软件采用前后台系统作为软件框架，分为主程序和中断程序两部分，相较于现有控制系统软件设计中的多中断程序，该软件设计仅采用了一个定时中断，是程序更简洁，增加了程序的可读性及可移植性，同时也有利于程序的进一步扩充与完善。现有控制系统软件中多数使用多中断设计，其中包括计算电机转速使用的捕获中断，获取电机位置使用一路或两路外部中断，电流采样时使用的DMA中断，以及一至两个定时中断，这些中断不仅增加了程序的复杂性，同时也降低了软件的可靠性。 在软件设计中，重点和难点就是如何获得较好的斩波效果，而软件设计的好坏直接影响了斩波效果的好坏。在现有的软件设计中，一般是将各相电流通过ADC采样，再经DMA通道传输，同时产生一个DMA 中断，然后在一个定时中断（定时中断时间一般为50us至100us）中实现电流斩波。而这种设计会产生两个问题。其一，因为要实现其他功能，定时中断时间不能进一步缩短，而这对电流斩波而言，时间间隔又太长，以50us为例，电流可能会在50us的时间中上升40A。其二，DMA中断优先级要高于定时中断，这可能会导致定时中断的执
毕业论文题目：750KW风力机叶片建模与模态仿真分析 学院： 专业：机械设计制造及其自动化 班级：学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2014年6月20日
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 750KW风力机叶片建模与模态仿真分析 姓名学院专业班级学号 指导老师职称教研室主任 一、基本任务及要求： 1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。 2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。 3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。 4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。 5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。 6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。 二、进度安排及完成时间： 2014.2.20－3.5：课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。2014.3.6－3.28：撰写文献综述和开题报告。 2014.3.29－4.8：确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。 2014.4.9－4.19：应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。 2014.4.20－4.27：应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。 2014.4.28－5.5：改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。2014.5.6－5.26：撰写毕业论文、完成设计。 2014.5.27－6.10：整理毕业设计资料，毕业答辩。
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二） （低轴阻发电机参考资料） 1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当
前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 图1 三相sr电动机剖面图 从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。 2.2 电路分析
风力发电系统的控制原理 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统
《新能源发电及并网技术》专题报告风力发电系统建模与仿真 学院电气工程学院 专业电气工程 姓名xxxxxxx 学号xxxxxxxxxxxx 2013年6月
目录 1 风资源及风力发电的基本原理 (1) 1.1 风资源概述 (1) 1.2 风力发电的基本原理 (2) 1.3 风力发电特点 (3) 2 风能及风力机系统模型的建立 (3) 2.1风频模型 (3) 2.2 风速模型 (4) 2.3 风力机建模与分析 (5) 3 变桨距风力发电机组控制系统模型 (10) 3.1 变桨距风力发电机组的运行状态 (10) 3.2 变桨距控制系统 (11) 4风力发电控制系统的模拟仿真分析 (13) 4.1 无穷大系统模型的建立 (13) 4.2 风力发电机系统并网模拟仿真分析 (13) 5 结论 (17) 参考文献 (18)
摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础，运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型，然后分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，最后搭建了一套基于PSCAD/EMTDC 仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。 风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入功率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。 1、风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。
贝加莱风力发电控制系统 2009-05-18 09:24 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC 产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统（OS）上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。 2.1.2功能块调用 PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库
实验一 ：风力发电机组的建模与仿真 ： 学号： 一、实验目标: 1.能够对风力发电机组的系统结构有深入的了解。 2.能熟练的利用MATLAB 软件进行模块的搭建以及仿真。 3.对仿真结果进行研究并找出最优控制策略。 二、实验类容： 对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了仿真。 三、实验原理： 风力发电系统的模型主要包括风速模型、传动系统模型、发电机模型和变桨距模型，下文将从以上几方面进行研究。 1、风速的设计 自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。本文不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成：基本风速b V 、阵风风速 g V 、渐变风速 r V 和噪声风速 n V 。 即模拟风速的模型为： V=b V +g V +r V +n V （1-1) （1）. 基本风b V =8m/s 基本风仿真模块 （2）阵风风速 ? ?? ??=0 cos v g V g g g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111 (1-2) 式中： ??? ?????--=)(2cos 121max cos g g g T t T t G v π (1-3) t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 为阵风的最大值，单位 m/s 。
双馈异步风力发电机工作原理 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或者吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。 双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 p,根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 n1称为同步转速，它与电网频率 f1 及电机的极对数 p的关系如下：
P f n 1 160= 同样在转子三相对称绕组上通入频率为f 2 的三相对称电流，所 产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： P f n 2260= 由上式可知，改变频率 f 2，即可改变 n 2,而且若改变通入转子三 相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设n 1 为对应于电网频率为50Hz 时双馈发电机的同步转速，而n 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持n ±n2=n1=常数，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为f 1 不变。 n ±n2=n1=常数 双馈电机的转差率 11n n n S -= ，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： 11 11122606060sf n n n Pn n n P Pn f =-=-==）（ 根据上式表明：在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即f 1S ）的电流，则在双馈电机 的定子绕组中就能产生50Hz 的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。 根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态： （1） 亚同步运行状态。在此种状态下n 开关磁阻电机 一、概述 开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W～5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视，由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在： (1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。 (2)功率电路简单可靠。 (3)系统可靠性高。 (4)起动转矩大，起动电流低。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15％时， 获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定电流的30％时，起动转矩叮 达其额定转矩的250％。 (5)适用于频繁起停及正反向转换运行。 (6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少 有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。 (7)效率高，损耗小。以3kw SRD为例，其系统效率在很宽范围内都是在87％ 以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。 (8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 二、开关磁阻电动机的结构 图1-1开关磁阻电机结构图 典型的三相开关磁阻电动机的结构如图1-1所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有8个极，转子有6个极。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极 上的线圈顺向串联构成一相绕组，图2-1中只画出了A相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相8/6极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而开关磁阻电动机则归属于自控式变频；在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同。 与反应式步进电动机相似，开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机。图1-1给出了以8/6极开关磁阻电机为例的结构原理图，图中仅给出了一相的绕组及外围功率开关电路，从这个结构原理图中可以清晰的看到，开关磁阻电动机是双凸极结构，其转子上没有任何形式的绕组，也无永磁体，而定子上只有简单的集中绕组，其中径向相对的两个绕组构成一相。电动机每一相中流过的电流是由外围功率开关电路中的开关根据转子位置的变化，进行相应的通断而获得的。 图1-1中给出的开关磁阻电动机是四相的，通常情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构，如两相、三相、四相或更多相，当相数增加时其结构将变得更复杂，相应的外围电路所使用的器件也相应增加。开关磁阻电动机极数的设计也有多种形式，但是定、转子极数和相数要遵循一定的关系。即定子极数应为相数的2倍或2的整数倍； 而转子极数应不等于定子极数且一般转子极数少于定子极数但都是偶数极[2]。由于开关磁阻电动机相数与极数的设计，低于三相的电动机没有自起动能力，对于有自启动、四象限运行要求的驱动场合，应选用表1-1所对应的定、转子极数组合方案。 表2-1 开关磁阻电动机各种方案机电控制作业开关磁阻电机及matlab仿真
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