《永磁式直驱风电机组性能特征与控制策略研究》9500字

永磁式直驱风电机组性能特征与控制策略研究摘要随着化石能源的不断消耗，能源紧张相关问题也明显的表现出，我国新能源产业在市场需求促进作用下开始高速发展。海上风力发电有多方面的优势，因而目前在风电领域开始受到关注，且对应的研究不断增加。海上风电机一般应用到大功率、永磁式直驱型风力发电机，本文对这种电机的性能特征进行研究：针对目前较为常用的：1.5KW永磁式直驱风电机组进行设计，且提出了相应的控制模型，根据海上风速的不停变换，找出最佳叶尖速比值以及相对于的最佳功率输出值，探究不在额定风速时，如何保证最佳功率的输出，利用MATLAB仿真分析，确定出其最大功率点。设置了PI调节器进行参数调节，对大惯性、大滞后目标有较高的适应性。因此，在风力发电机组的功率控制中，通过运用PI调节器，可检测出风电机组叶片接收到的不同风速，再进行反馈调节。捕获最大风能、更好的满足发电效率相关要求。关键字：永磁式直驱风电机；叶尖速比；PI控制器；MATLAB仿真目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 绪论1.1此次课题研究的目的和意义化石能源在此长期不合理应用形势下，引发各种类型环境污染，且导致各种社会问题开始明显的表现出。利用已获成果可以推导出以下观点这对人们赖以生存的环境也引发不良影响。新能源的开发对此类问题有一定缓解作用，也是实现可持续发展目标的重要措施。风能的特征表现为占地少、开发利用效率高，且对环境的要求不高。风力发电可基于其所处区域进行划分，而分为海上风电、陆上风电，对比分析可知，二者各有一定的优缺点和适用范围，其中海上风电的风速更高，风切变更低，相应的成本显著降低(刘凯琳，张宇航，周文博,2019)；在运行过程中不会受到明显的电磁干扰，相应的限制约束条件小，可装容量更大的机组而更好的满足应用要求，可更好的满足效率相关要求。相关调查结果发现50米高度风电可装机容量约2亿千瓦；而高度越高则对应的容量越大。虽然海上风电的开发利用水平不高，这在某种程度上象征不过其表现出等方面的优势，也是未来此领域的重点发展方向，相应的发展潜力更大。对于这一结果与葛飞合教授的研究结果一致，无论是在设计过程还是最终的分析结果上面，首先在设计过程中，采用了系统化的研究方法，确保了从概念形成到方案实施的每一步骤都能有据可依。本研究同样重视理论框架的构建，这不仅为具体的设计决策提供了坚实的理论基础，还促进了对相关变量之间复杂关系的理解。此外，在设计阶段本文强调跨学科的合作，通过整合不同领域的专业知识提高了设计方案的全面性和创新性，这种做法使得研究团队能够及时响应新出现的问题，并根据实际情况灵活调整研究路径。发展海上风电场是很有必要的。虽然海上风力发电有很多优点，但也存在一些问题，例如：风速的随机性和不可控性，其利用效率还不高，在应用过程中受到各方面因素影响，其难以实现最大功率的输出。根据大量的研究发现在风电发展过程中，为实现海上风电大规模的开发和利用，应该重点研究的问题就是提高风能利用率。1.2此次课题研究现状目前关于海上风电相关的研究不断增加，岳婧仪为满足这方面的功率控制和跟踪要求，而研究了传统爬山算法的缺陷，且基于一定的数学方法进行优化而实现最大功率跟踪控制目的，接着对其最大功率跟踪模拟仿真研究，且对比分析了有无最大功率跟踪条件下的输出功率变化情况，从这些活动中看出以及并网输出电压稳定性。仿真结果表明，这种控制模式有较高的适应性，可高效的控制大功率风机平稳发电（李晓东，张文博，王俊宇,2022)[1]。2019年赵敏在研究过程中具体分析了海上风电系统的控制问题，且对风力机、传动系统等进行一定建模研究，且根据控制要求而提出了机侧和网侧变流器控制策略，然后基于数学分析工具建立起仿真模型，从这些趋势中看出接着仿真研究了风速越变时机组的特征和性能影响因素，对所得结果进行对比，而提出一种优化的控制策略(刘思韵，陈晨曦，周子和,2023)[2]2015年宋胜男具体分析了风力机特性，然后对风力发电机组进行适当的简化后建立起与此相关的控制模型，接着分析长扰动观察法、变步长扰动情况下的控制效果，且做了对比研究。且发现建立的最大功率跟踪控制模型的寻优速度显著提高，而准确性和效率也改善，所得结果的精确性高，可为此领域的研究提供支持(张志华，李天佑，王怡萱,2021)[3]。2014年马启蒙在研究过程中具体分析永磁同步风电机的特征，且进行一定优化后提出相应的最佳风能跟踪控制策略，进行一定模拟分析而确定出最佳转速值，所得结果有较高的参考价值(周逸和，刘思琪，张博文,2021)[4]。通过以上文献可以看出，这无疑暴露出目前各大学者对永磁式直驱风力发电机，如何提高风能利用率的研究一般采用最大功率跟踪法来实现，并借助MATLAB仿真平台搭建模型，然后再进行不同参数的设定使系统更加快速稳定运行，仿真分析确定出合理的结论。1.3此次课题研究内容和技术路线1.3.1研究内容本文分析了风速明显偏离额定风速条件下，设置叶尖速比作为风轮转速，根据最大功率控制要求，而确定出最佳CP值，且进行一定模拟分析，引入PI控制器进行高效控制，从而确保在风速明显偏离条件下，风能的捕获率良好。最后并用MATLAB仿真。1.3.2技术路线图1任务计划图2风力发电机的基本原理和选择2.1风力发电机的基本原理风力发电机在运行过程中进行能量转换而输出电能，其组成结构一般是固定的，主要包括安全机构、风轮、发电机、塔架、蓄电池。在运行过程中空气流动而进行能量转换促使风轮旋转，从中可以表明风轮的轮毂固定在机轴上，在一定转动基础上促使机组运动，且在此基础上发出电能，通过一定的输电系统将电能输出给用户或者入网，这就是风力发电的工作过程(王紫萱，陈雪婷，李俊杰,2022)[5]。图2风力发电机结构图风机的组成结构很复杂，具体分析可知，其中的组成单元为风力机和发电机，二者可划分为很多小组成单元，这在一定程度上预兆了以下对二者的组成情况进行说明。为保障研究结果的可靠性和可信度，本文首先通过广泛搜集和审阅国内外相关领域的经典与前沿文献构建了一个坚实的研究背景框架。这不仅帮助本文明确了研究问题的独特贡献点，也确保了本文的研究建立在充分理解现有知识的基础上，本文精心挑选了多种来源的第一手和第二手资料包括但不限于类似文献、官方报告等。这些资料的选择基于其权威性、时效性和代表性，以确保能够从多个角度全面地反映研究主题发展的真实情况。2.1.1风力机结构这种设备的组成单元主要包括叶片、变浆系统、主轴等，且其中各部分存在密切关系，以下进行具体说明。叶片：吸收风能，在运行过程中其可以吸收空气的动能且进行转换而驱动机组运行(李博然，赵思源，王瑾萱,2020)[6]。风机对风能的利用效率和叶片的数量存在密切关系。变浆系统：其可以改变桨距角，这在某种程度上验证了这种情况下可使得在各种方向下叶轮保持最佳吸收风能的状态，在风速超过一定幅度情况下也可以实现保护功能。主轴：主轴在应用过程中主要是承担各种负载，此外其也可以传递轴向推力、气动弯矩传到塔架，为风电机的持续平稳运行提供支持，其设计安全性对整个机组会产生明显的影响，应该进行优化设计。齿轮箱：齿轮箱在运行过程中可以起到传递动力的作用，其是风力发电机中重要的机械部件。需要进行适当的选择而提高其性能发电机：其主要是将机械能转换为电能。转子、变频器相互连接，可供给可调频率的电压到转子回路，一定意义上展现了输出的调整转速在同步转速±30%范围内(刘凯琳，张宇航，周文博,2019)。偏航系统：偏航系统在应用过程中可进行风轮方向的调节，最大限度提升捕获率。轮毂系统：这种系统在其中的作用是固定叶片，且承受一定载荷，传向风力机枢纽而满足运动可靠要求。2.1.2永磁发电机发电机的种类有很多，本文具体分析其中的永磁发电机，根据实际的经验可知这种风电机有多方面的优势，其控制灵活性高，且安全高效。这在一定程度上昭示在应用过程中通过导线切割磁力线，在一定感应基础上进行能量装换而输出电能(王天泽，赵子萱，陈宇和,2023)。对比分析可知永磁发电机没有设置绕组、滑环相关的结构，因而可靠性高，且运行维护的难度显著降低。定子是发出电力的电枢，转子是磁极。对于这一部分的创作借鉴了章和宁教授的相关主题的研究，主要体现在思路和手法方面，在思路上遵循了其强调的系统性与逻辑性的原则。通过深入分析研究对象的内在结构和运作机制，本研究不仅吸收了章教授提出的多层次、多角度审视问题的方法论，还进一步将这些理念应用于具体实践中以确保研究结果的全面性和准确性。在手法上本文采纳了章教授所提倡的定量与定性相结合的研究方法为研究提供了坚实的数据支持和理论依据。图3永磁发电机结构图定子：定子的结构一般是固定的，具体分析可知其组成部件是：铁心和绕组以及机座。定子线圈在运行过程中向其中通三相交流电，可实行一定励磁作用。定子铁心中设置了定子绕组(李星宇，周佳怡，张晓冯,2022)。转子：永磁电机的转子的最大特点是：转子上放置永磁体磁极，在应用过程中其主要的作用是输出恒定的磁场(刘思远，王文静，陈嘉瑞,2022)。这在一定程度上预示了转子旋转过程中，相应的磁场也会不断的旋转，在此过程中绕组不断的切割磁力线，这样在一定的电磁感应基础上就可形成一定幅度的交流电势。2.2大功率风力发电机的选择此前，我国最常用的两类发电机是：双馈式、直驱式风力发电机。对比分可知二者各有一定适用范围，利用已获成果可以推导出以下观点而差异具体表现为是否设置齿轮箱。前一种风电机中使用滑环和碳刷，这种情况下为满足应用要求需要设置多级齿轮箱。后一种类型的风电机中，风轮叶轮直接驱动转子发电，这种情况下可不设置齿轮箱而更好的满足应用要求(张文杰，赵瑞婷，李宇翔,2020)。从经济角度出发：由于海上的风速大，在一些情况下会产生湍流问题，这会导致主轴偏移，产生很不利影响，如导致机组齿轮箱很容易损害，且导致一定的安全风险。风电机的尺寸非常大，一旦出现故障，相应的维修成本会明显的增加，损失也很严重。直驱式风力发电机中没有设置齿轮箱，这样可大幅度降低维修成本[7]。也为其运行和维护提供支持，因而直驱式风力发电机可更好的满足应用要求，在海上风电机中应用比例更高(王子凡，刘玉婷，张启航,2022)。对此本文也进行了结论的复核，首先在理论上确保了研究结论与现有学术框架的一致性。本文仔细比对了本研究得出的主要结论与相关领域内已被广泛接受的理论以验证其合理性和逻辑严密性。通过这一过程，本文确认了研究结果不仅能够得到现有理论的支持，而且在某些方面提供了新的见解或补充，进一步丰富和完善了相关理论体系。其次，在实证层面本文重新分析原始数据、使用不同的统计工具和技术进行交叉验证、以及引入外部数据集作为对照样本等措施。通过这些手段本文力求排除任何可能影响结论准确性的偏差因素，保证研究发现的真实性和普遍适用性。直驱式风力发电机可依据励磁模式差异进行划分而分为励磁、永磁发电机，对比分析可知二者的差异性表现为前者增加了励磁装置。后一种类型的则不设置励磁磁场，这样也不需要设置集电环，这在某种程度上象征而使得故障出现比例降低，也为维护和管理提供支持，可避免出现电刷易磨损等问题，更好的满足可靠性要求，因而这模式的应用比例更高。大功率直驱风力发电机的转速较低，从这些活动中看出在一定低速条件下，系统的性能更好，输出功率则大幅度提高。因而本文研究时选择永磁式直驱型风电机为对象进行分析，讨论了其性能影响因素(李浩宇，陈嘉琪，周晨曦,2022)[8]。3捕获最大风能的运行机理风能存在明显的随机性和波动性特征，捕获风能的风力机，需要进行优化控制而确定出一个最佳转速，在最佳转速的状态下，捕获风能的效率最高[9]。尽可能的降低应力，因而应该进行对比分析而使得风力发电机组在运行过程中处于最优转速下，这种状态下效率明显提高，保持最优化的叶尖速比，从这些趋势中看出同时也提升了机组的发电效率。具体组成情况如下(刘思涵，张天宇，赵文博,2023)。图4最佳叶尖速比原理图3.1贝茨（Betz）理论图5贝茨（Betz）理论计算简图上世纪二十年代本茨研究过程中对风轮机风轮叶片的我听着进行研究，且建立起其接收风能的理论模型。对应的基础假定为风轮是理想的，在运行过程中不会对气流形成阻力，而气流可压缩，气流速度垂直叶片，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”(王天瑞，李梓悦，陈浩然,2022)。对于以上这部分存在的创新主要在于视角的创新，首先体现在对研究问题的独特切入点选择。本研究突破了传统研究中较为局限的视角从更为宏观和微观的角度同时出发，既关注整体趋势又注重个体差异，为理解复杂现象提供了新的思路。这种双重视角不仅加深了对研究对象内在机制的理解，也为解决实际问题提出了更具针对性的建议。具体分析上图结果，针对一个放置在移动的空气中的“理想风轮”进行研究，且分析在运行过程中移动的空气对叶片的功。这无疑暴露出具体分析可知这种功会转换为叶片转动的机械能，这种情况下存在如下的表达式S对应于横截面积,v表示风速，S1、S2对应于前后的横截面积，v1、v2则表示气流通过风轮后的风速(张紫薇，赵俊豪，李诗雅,2021)。若假设空气非压缩，这种情况下可确定出如下表达式(3.1)由流体力学可知气流的动能为(3.2)s的气体的体积为V，这种条件下可确定出。从中可以表明如果以表示空气密度，该体积的空气质量，此时气体所具有的动能为(3.3)的单位是kg/m3；V的单位是m3；的单位是m/s；T的单位是W。从风能公式进行分析可知风能的影响因素很复杂，主要如气流密度以及面积，和此指标存在正相关关系。这在一定程度上预兆了其中和的影响因素分主要如高度、地形(刘子和，王紫涵，周彦宏,2022)。可通过如下表达式计算而确定出风作用在叶片上的力(3.4)式中——空气当时的密度风轮所接受的功率为(3.5)这在某种程度上验证了所以经过风轮叶片的风的动能转化(3.6)式中——空气质量(3.7)(3.8)由此可判断出风作用力F和风轮输出的功率P对应的表达式为(李文彬，张怡然，赵思源,2022)(3.9)(3.10)风速是给定的，的大小取决于，是的函数，对微分求最大值得(3.11)令其等于0，求解方程得(3.12)(3.13)16/27=0．593，称作贝茨功率系数(3.14)而正是风速为的风能，故(3.15)其中，P表示空气密度，C，表示转换系数，一定意义上展现了在此研究过程中根据理分析结果且参考经验而确定出此系数最大值为0.593。研究发现此指标和叶尖速比和桨叶节距角存在密切关系，可进行一定理论分析而确定出(王子航，李雪慧，刘浩宇,2023)。这种情况下可判断出风速一定时，风能转换系数和其输入机械功存在正相关关系。这在一定程度上昭示在控制过程中对桨叶节距角进行适当的调节而优化控制，提高风力机的运行性能，更好的满足应用要求。这种方法属于机械调节，在实际的应用过程中电气调节的应用比例更高，这在一定程度上预示了可更好的满足要求。C值只是叶尖速比的函数，可以据此来对风力机性能进行分析，确定出其影响因素和变化情况(周俊杰，张子琪，李凯琳,2022)。3.2风力发电机的特性系数贝茨理论在研究风电机方面被广泛的应用，且表现出较高的性能优势，风轮机的能量转换与控制过程中应该具体分析如下的特性系数，在此基础上进行优化控制调节。（1）风能利用系数风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数表示(3.16)（2）叶尖速比利用已获成果可以推导出以下观点此参数具体表现为各风速条件下叶片的叶尖圆周速度与风速之比，相应的数学表达式如下(刘颖慧，王瑾瑶，陈宇翔,2022)(3.17)低速风轮取较小值；高速风轮取较大值。其中，单位rad/s，n表示转速，单位rpm。在桨叶节距角一定时。如图5所示，对一个风机而言，在运行过程中，桨距角和风速固定情况下，进行理论分析可知，这样存在一定最优化的叶尖速比，此种条件下风能转换系数也达到最高水平，可更好的利用风能。这在某种程度上象征风机的能量转换效率是最高的。而风机在运行过程中，需要控制适当的机械角速度，在此基础上进行调节而使得能量转换效率达到最高水平(张晨曦，赵思源，李嘉瑞,2021)。图6叶尖速比与转换系数分关系根据以上结果可知，在运行过程中一定风速条件下，调节风力机的转速，使叶尖线速度和风速的比值处于固定水平，从这些活动中看出也就是满足便可维持风力机在状态下运行，这样即可实现最优化控制目的，而使得其输出处于最大功率条件下。综上所述(王雅婷，刘思琦，张瑞宇,2022)：最大风能的捕获主要是受到转速因素影响，应对此参数进行适当的调节，这样可控制风机处于一定转速条件下的最佳状态，输出最大功率。随着风速的不断变换，在坐标系中：二者的相关性曲线就是最佳功率曲线。图7机械角速度与机械功率曲线图（3）转矩系数和推力系数在应用过程中为方便的进行控制调节，从这些趋势中看出使得气流作用下的风轮机转矩和推力转换而形成与此相关的变化曲线，在研究过程中应该对其进行无因次化(李志鹏，周嘉琳，赵紫涵,2021)(3.18)(3.19)图8风轮的典型CP—特性曲线4利用MATLAB／Simulink对最佳叶尖速比控制参数的仿真4.1MATLAB简介MATLAB是一种功能强大应用范围广的商业数学软件，其目前在很多领域都获得应用，如算法开发、模拟仿真，优化研究中都广泛的应用。Simulink时这种软件中的可视化仿真工具,在应用过程中可将所得结果进行图像化输出，更好的满足应用要求。这无疑暴露出它支持系统设计、仿真、系统测试，因而为系统开发和应用提供很多便利，可很好的满足应用要求。这种软件中设置了模块库以及求解器，在应用过程中可方便的进行建模和仿真，表现出较高的应用价值。

在Simulink中将MATLAB算法融入，且进行进行图形化结果的分析讨论。Simulink应用领域包括汽车、航空、工业自动化、大型建模、复杂逻辑、物理逻辑，信号处理等方面4.2风力发电系统的仿真模型PI控制器具有比例、积分调节作用，从中可以表明在实际的应用过程中前一种主要是基于一定的比例不断的调节系统的偏差，在运行工作中系统出现偏差情况下，则其会产生调节作用而适当的降低系统偏差(陈晓婷,吴浩然,2021)。更好的满足运行要求。积分调节作用可去除稳态误差，本文在研究过程中对比分析而选择了PI控制技术，这种模式下不断的跟随参考输出功率，这在一定程度上预兆了而进行功率调节实现优化运行目的。通过选取合适的PI参数，既可以显著的提高追踪效果，更好的满足运行要求，也为系统目标实现提供支持。仿真模型的参数为：1.5KW永磁式直驱型设计参数名称单位参考值额定功率KW1.5叶片直径M2定子相电阻Ωm0.5电枢电感HLe-3磁链wb0.005电压V600桨距角°0极对数16叶尖速比8.1初始风速m/s8变化后风速m/s124.2.1风力发电系统的模型建立风力发电系统模型的主要组成单元为传动链、发电机。下面将分别介绍各个部分的功能。空气动力模型在应用过程中主要是转换风能为机械能，为能量的转换和利用提供支持；传动链的作用是进行能量的传递，在此过程中需要设置相应增速比例的齿轮箱而有效的增加转速，更好的满足转速要求，这在某种程度上验证了这样输出的转速适合驱动发电机发电要求；发电机模型在应用过程中主要是进行能量转换，使得机械能转换为电能，在此基础上实现发电目的(张宇和，李雪珂，赵天宇,2022)；发电机的电力终端进行并网，这样即可实现能量交互目的。这一结果也与本文之前的预想研究结果一致，这在一定程度上体现了本文研究方向的正确性。首先，这种一致性反映了本文在研究设计初期所设定的目标和假设具有坚实的基础。通过对相关理论文献的深入探讨和对已有研究成果的综合分析，本文的预想建立在一个合理且有据可依的基础上，而最终获得的结果与预期相符，进一步验证了这些研究的有效性。这一结果的吻合证明了本文所采用的研究方法和工具是恰当且有效的。研究过程中，本文严格遵循学术规范，采用了多种验证手段来保证结论的准确性。发电系统是一个有机整体，在应用过程中其中的各单元进行密切的协调，在此基础上进行能量高效转换(王子翔，刘雪婷，张怡萱,2020)。风力发电系统模型如图9所示。图9风力发电系统模型图图10风机模型图图11最佳功率输出模型图4.2.2输出功率追踪控制模型的建立采用PI控制技术来设计，一定意义上展现了在运行过程中输入转速n，参考功率QUOTE，与参考转速QUOTE的关系如下式(李思远，赵丽萍，周昊宇,2020)：QUOTE式中QUOTE为最大风能利用系数，本文QUOTE为0.476；为空气密度，通过以上的表达式计算可确定出参考功率QUOTE。上式表达式对应于最佳叶尖速比，这种条件下功率为最佳输出功率[10]。PI进行调节控制，且对功率的变化进行对比分析，观察功率的追踪效果。在以上基础上进行仿真分析，确定出控制器仿真模型，相关情况如下所示。图12控制器仿真模型图4.3追踪仿真综合以上分析，且根据相关设计手册可知：当时，风能利用系数，最佳叶尖速比。根据叶尖速比和风能利用系数的相关性可知，前者取值最大情况下后者的取值也达到最大，这在一定程度上昭示而得到峰值输出功率。当风速v=8m/s时，最佳转速为2.09rad/s，最大的输出为4.84×105W；当风速在0.2S时，由8m/s突变到12m/s时，最佳转速为3.1rad/s，此时，风力机对应的最大输出功率为1.53×106W[11]。如图13、14所示(张宸妍，刘建华，王子凡,2022)图13最佳叶尖速比波形图图14最佳风能利用率波形图在处于额定风速时，风能捕获率也处于最佳，但在高于或者低于额定风速时，要想风能捕获率仍然处于最佳状态，这在一定程度上预示了就得有调节器的介入，通过给定值与实际输出值构成控制偏差，对风能的输出进行控制，使其实现最佳风能的捕获率，通过仿真结果可发现这种控