史 毅

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，南昌 330029）

0 引言

縱觀世界范圍，能源形勢(shì)不容樂(lè)觀，煤炭資源日漸匱乏，石油價(jià)格的不斷攀升，一方面可以看出全球?qū)τ谀茉吹母?jìng)爭(zhēng)日益激烈，另一個(gè)方面也看出能源在人們大范圍的使用中在不斷地減少，如何在不破壞地球原有的生態(tài)環(huán)境又能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)要求已經(jīng)擺在人們的面前，是一個(gè)非常普遍又現(xiàn)實(shí)的存在，而風(fēng)能能很好地解決上述的兩個(gè)矛盾點(diǎn)，不僅資源存儲(chǔ)豐富，又能循環(huán)利用，同時(shí)在各國(guó)科學(xué)家的努力之下，風(fēng)能生電的技術(shù)應(yīng)勢(shì)而生，在全球范圍內(nèi)得到了很好的應(yīng)用，性價(jià)比也非常的高，可以采用很少的資源滿足全球范圍內(nèi)人們的日常用電量，避免了對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)了生態(tài)，是一種非常實(shí)用的技術(shù)。

風(fēng)能發(fā)電就是利用風(fēng)輪收集風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪收集的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，利用電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送。風(fēng)力發(fā)電是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，地球表面溫差引起空氣流動(dòng)，具有一定動(dòng)能，是清潔的、無(wú)污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源。由于能源和環(huán)境等諸多問(wèn)題的影響，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展受到全球性的廣泛關(guān)注和高度重視。但是自然界的風(fēng)，方向和速度經(jīng)常變化，使得風(fēng)力發(fā)電具有間歇性，可控性不如常規(guī)性能源。

1 雙饋發(fā)電機(jī)組原理

風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行進(jìn)一步地提升，故而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)達(dá)到發(fā)電的目的。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由葉輪，機(jī)艙，偏航系統(tǒng)，傳動(dòng)鏈，主軸，發(fā)電機(jī)，制動(dòng)系統(tǒng)和槳距調(diào)節(jié)裝置等硬件設(shè)備組成，每一個(gè)部分都很重要。其中，葉片是具有空氣動(dòng)力學(xué)外形，在氣流推動(dòng)下產(chǎn)生力矩使風(fēng)輪繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主要原件，獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。齒輪箱是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在高速軸側(cè)提高到滿足發(fā)電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速。而發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中至關(guān)重要，目前在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有三種類型，即固定轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)組、可調(diào)速的雙饋異步發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組。

雙饋電機(jī)發(fā)電的主要原理就是利用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子，然后通過(guò)勵(lì)磁電流來(lái)達(dá)到控制變速時(shí)候的頻率，使之保持在一定的頻率上。在這個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電路的功率只相當(dāng)于流勵(lì)磁電機(jī)發(fā)電中的轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率在整個(gè)過(guò)程中只占到很小的一部分，所以雙饋電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)消耗功率較小，降低了成本，同時(shí)不限制變頻器容量，故采用雙饋電機(jī)。在進(jìn)行發(fā)電時(shí)，不但可以減低能耗，保證工作，同時(shí)在工作中創(chuàng)造效率，實(shí)現(xiàn)恒頻控制，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的控制，起到了分擔(dān)電網(wǎng)工作量，穩(wěn)定電壓的效果。風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性如圖1所示。第一個(gè)運(yùn)行區(qū)域是啟動(dòng)階段，此時(shí)電機(jī)增速，但沒(méi)有連接并網(wǎng)，故沒(méi)有功率輸出。第二個(gè)運(yùn)行區(qū)域是風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)并運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。這一階段又可分為兩個(gè)區(qū)域：變速運(yùn)行區(qū)和恒速運(yùn)行區(qū)。第三個(gè)運(yùn)行區(qū)域?yàn)楣β屎愣▍^(qū)。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，通過(guò)變槳控制，從而保持功率不變。

圖 1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性圖

2 雙饋電動(dòng)機(jī)變速仿真

影響風(fēng)能發(fā)電的因素有很多，其中風(fēng)能的輸入功率，葉片的葉尖線速度都與之有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，如何更好地捕獲風(fēng)能，提高風(fēng)能的效率，同時(shí)減小機(jī)械應(yīng)力，是目前迫切需要解決低問(wèn)題。

根據(jù)上述風(fēng)力發(fā)電的基本原理，加上風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)知，可以得出風(fēng)力機(jī)的輸入功率為：

由于通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部都能被風(fēng)輪吸收利用，其風(fēng)能利用系數(shù)：

其中，v為風(fēng)速，ρ為空氣密度，R為葉片半徑。

風(fēng)能利用系數(shù)是表征風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，它與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。為了便于討論，定義風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比：

由不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以看到不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的功率轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇，每條曲線上最大功率點(diǎn)成為風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在Popt曲線上將會(huì)輸出最大功率Pmax其值為：

同時(shí)以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電機(jī)模型建模，以轉(zhuǎn)速ωee旋轉(zhuǎn)的同步坐標(biāo)系下的等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路圖

根據(jù)原理對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電機(jī)模型進(jìn)行建模，得到磁鏈和電壓的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，ψ、V、I分別為磁鏈、電壓、電流矢量，R、L為電阻及電感，下標(biāo)s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子側(cè)分量，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，Lm為激磁電感。

同時(shí)當(dāng)采用定子磁鏈定向（即同步坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈?zhǔn)噶可希r(shí)，定子側(cè)的有功和無(wú)功可表示為：

且此時(shí)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：

由上面的幾個(gè)公式中可以看出雙饋電機(jī)的定子側(cè)有功（或電磁轉(zhuǎn)矩）、定子側(cè)無(wú)功分別由轉(zhuǎn)子電流的q、d軸分量決定。

以16m/s風(fēng)速條件下風(fēng)機(jī)模型為被控對(duì)象進(jìn)行仿真。由于風(fēng)輪為一大慣性體，控制延時(shí)大，因此要求在控制超調(diào)量條件下響應(yīng)時(shí)間越短越好。風(fēng)機(jī)模型中發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，最高轉(zhuǎn)速為1800rpm，其最大超調(diào)量為20%，為減少干擾信號(hào)帶來(lái)的誤差，本文設(shè)定最大超調(diào)量為10%。根據(jù)MATLAB中SIMULINK仿真模塊，建立如圖3所示的仿真模型圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)仿真圖

在本文中選取參數(shù)相同的規(guī)格的一組電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真比較，在使用過(guò)程中，通過(guò)改變某些特定參數(shù)來(lái)進(jìn)行比較，得到了結(jié)果如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 仿真比較數(shù)值結(jié)果

如表1所示，電機(jī)組2的電動(dòng)機(jī)最大超調(diào)量雖然比最優(yōu)控制提高3%，但響應(yīng)時(shí)間多了40.1%，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，電機(jī)組1這樣大慣性系統(tǒng)中起到更好控制效果。電機(jī)組2的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流的q軸值值比較偏高，故相對(duì)于無(wú)功的需要量比較大，而電機(jī)組1相對(duì)于偏低，故整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)去需要量比較小，是可以控制的

同時(shí)從上面的分析也可以得到，在某一固定的風(fēng)速v下，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，風(fēng)能利用高，從而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率也越大，因此轉(zhuǎn)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力卻強(qiáng)，故電機(jī)組1的相應(yīng)時(shí)間小于電機(jī)組2的電動(dòng)機(jī)，確實(shí)是提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著二十一世紀(jì)的到來(lái)，各國(guó)對(duì)于資源的爭(zhēng)奪越來(lái)越激烈，而風(fēng)能作為一種存儲(chǔ)豐富，對(duì)于環(huán)境的破壞相對(duì)較小的能源，成為了各國(guó)爭(zhēng)先研究的對(duì)象。現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)正形成一股應(yīng)用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的研究熱潮，可靠風(fēng)能不僅能降低污染，還不必?fù)?dān)心資源的枯竭，是一種可以循環(huán)利用的能源，當(dāng)然在發(fā)展過(guò)程中也存在著不可以忽視的缺點(diǎn)，造成一些不必要的浪費(fèi)，針對(duì)上述的情況，本文對(duì)于風(fēng)能發(fā)電的雙饋電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，闡述其原理，且通過(guò)選取幾個(gè)有針對(duì)性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)，更從數(shù)值證明了本文提出的合理控制雙饋發(fā)電機(jī)組的變速的參數(shù)確實(shí)有比較高的實(shí)用價(jià)值。

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