所有的风机类型和建模
第一部分风机的分类
风力发电机组由两大部分组成，即风力机和发电机。其中，风力机的功能是将风能转化为机械能;而发电机的功能则是将机械能转换成电能。因此风电装备的类型归属需要从两个角度划分，一是从机械角度划分，二是从电气角度划分。
1. 从机械角度对风机分类
风力机的类型和种类很多，但由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮，因此风机依风轮的机构特点及其在气流中所处的位置(即风机转轴的机械位置)大体上可以分为两大类:一类为水平轴风机，一类为垂直轴风机。两种类型的风力发电机在结构上各有优点，也各自有其不足之处，在实际设计制造中应结合具体情况确定结构的具体形式。
1.1 水平轴风力机
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片与旋转轴相垂直安装，并与风轮的旋转平面成一角度Φ(安装角)。
水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同可有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力机;风轮安装在塔架的下风位置的，则称为下风向风力机。上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。
水平轴风力机组有两个主要优势:一是实度较低，其能量成本低于垂直轴机组;二是叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。水平轴风力机是目前世界风机市场中的主流机型。
1.2 垂直轴风力机
垂直轴风力机的传动轴与地面垂直布置，设计较简单，风轮在风向改变时无需对风，可减少风轮对风时的陀螺力。
垂直轴风力机的优点如下:一是可以接受来自任何方向的风，因而在风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，结构设计简化;二是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，检修维护方便。
2 从电气角度对风机分类
2.1 异步风力发电机
在国内已运行的风电场大部分机组是异步风力发电机。主要特点是结构简单，运行可靠，价格较便宜，此种发电机为恒速恒频机组。运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，采用在机端并联补偿电容器，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转，为了充分利用低风速时的风能，增加全年发电量，近年广泛应用双速异步发电机，此种电机可以改变极对数，有大、小电机两种运行方式，采用4极或6极电机，运行速度分别为1500r/min或1000r/min。
2.2 双馈异步风力发电机
现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组都选用双馈异步风力发电机，能够实现风力机叶片桨距调节及变速运行。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节到风力机的最优化效率数值，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得较高的系统效率;可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化;发电机
本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如功率因素从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力，实现几个相同的独立运行机组的并联运行。
2.3 直驱式交流永磁同步发电机
大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。目前我国部分风电场使用直接驱动永磁式同步发电机，运行时全部功率经A—D—A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。
2.4 高压同步发电机
此类发电机是将同步发电机的输出端电压提高到10,20kV，甚至高达40kV以上，可以不用变压器而直接与电网连接。由于不用增速齿轮箱，以低速运转，减少了齿轮箱运行时的能量损耗，同时由于省去了一台升压变压器，免除了变压器运行时的损耗，效率可提高5%左右。但由于使用大量的永磁材料，对永磁材料的性能稳定性要求高。
第二部分恒速恒频风力发电系统
并网型恒速恒频风力发电系统是上世纪80年代和90年代初的经典的风力发电系统，具有结构与控制简单、性能可靠的优点。恒速恒频风力发电系统采用同步发电机或感应发电机，不论风速如何变化，保持风力机转速不变(通常为同步速)从而实现发电频率恒定。在这种风力发电系统中，风力机采用定桨距失速控制或主动失速控制，叶尖速比不可能总保持在最佳值，也不能实现风能最大利用率，风力机常常运行于低效状态。
恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统。当风速发生突变时，风机的叶片承受较大的扭应力和风力摩擦，为保持机械转速恒定，风能还将通过叶片在风机主轴、
齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力，增加了这些部件的疲劳损坏程度，缩短了使用寿命。并网运行还会潜在地影响电力系统的稳定运行。大容量的机组主要是采用主动失速控制，如果采用同步机，会在电网故障时引发一些问题，所以一般不用同步机而采用异步发电机。
一、异步风力发电机的简介
异步风力发电机组目前仍然是我国乃至世界上主流的风力发电设备，其具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点。但同时由于异步风电机组直接与电网连接属强耦合型，风电的随机等特性会直接影响到电网的运行;其次，由于异步发电机运行时需要吸收一定的无功功率，加重了电网的无功负担，势必会影响电网的电压稳定性。
恒速恒频风力发电系统结构图如图1所示。风轮机利用叶片将风能转化为作用在传动轴上的机械能，传动装置将风轮机轴上的低速旋转运动转变为较高的转速，并与发电机转子相连接，最后由发电机将机械能转化为电能，输送到电网。
图1 恒速恒频风力发电系统结构图
大规模直接并网的异步风力发电系统一般由四个部分组成:
(1)风速
作用在风力机叶片上的空气流，也称之为风能，是风电系统的原动力，具有随机性和间歇
性的特点。
(2)风力机
捕获和传动风能的装置。它主要包括叶片和轮毅、齿轮箱、联轴器等中间传动装置，具有较大的转动惯量，与异步发电机柔性连接;风力机是并网型异步风力发电系统能量转换的两大部分之一，它将风能转化为机械能。
单就风力机的调节方式而言，恒速恒频风力发电系统又分为:定桨距失速调节型和变桨距调节型两种。
定桨距是指叶片被固定安装在轮毅上，其桨距角(叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角)固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性(当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的)。它的优点是调节控制简单可靠;其缺点是叶片重量大(与变桨距风机叶片比较)，轮毅、塔架等部件受力增加，机组的整体效率较低。
变桨距是风机的控制系统可以根据风速的变化，通过桨距调节机构，改变其桨距角的大小以调整输出电功率，以便更有效地利用风能。其工作特性为:在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化;当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。它的主要优点是桨叶受力较小，因而可以做得比较轻巧，并且可以尽可能多的捕获风能，提高发电量;其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。
(3)异步发电机
异步风力发电机组又称为恒速恒频风力发电机组，这种发电系统单机容量一般都不大，大都采用异步风力发电机组，其中鼠笼异步发电机应用最为广泛。
鼠笼型异步发电机的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用鼠笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆筒形，槽中嵌入金属导条，在铁心两端用铝或铜端环将导条短接。转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。由于异步发电机存在三个运行状态:电动机状态，发电机状态，电磁制动状态。状态由转子的旋转方向和转速决定的。工作在发电机状态下，转子转向同定子电流产生的基波旋转磁场的方向一致，转速大于同步转速。
这种状态下发电机吸收机械功率发出电功率。所以异步发电机带一定滑差运行，但在实际运行中滑差s是很小的，不仅输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去叶片似乎是在“恒速”旋转，故称之为恒速恒频。直接并网的大中型风力发电系统中的发电机基本上是异步发电机。它将机械能转化为电能，和风力机一起实现了风能到电能的能量转换。
(4)补偿电容器组和STATCOM
一般情况下，在异步发电机端配备有补偿电容器组，根据风功率的变化自动投切，以提供异步发电机所需要的部分激磁无功，进而也提高了它的功率因数。STATCOM(静止无功补偿器)加装在风电场端口，从系统吸收或者注入无功功率，以调节端口母线电压。
二、异步风力发电机的并网及对电网的影响
异步发电机的并网条件是发电机转子转向应与定子旋转磁场转向一致并且
发电机转速应尽可能接近同步速(98%~100%同步速)。异步发电机直接并网时，最大瞬时电流达到额定值8倍，该冲击电流大小，与其本身暂态电抗和并网时的电压高低有关，其有效值还与并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。这也会导致局部电压水平降低，造成并网失败。目前可以通过装设软起动装置和
风机非同期并网来削弱冲击电流，但同时给电网带来一定的谐波污染。
并网风电场一般采用感应发电机直接并网的运行方式，在机端配备有无功补偿电容器组，以提供感应发电机在并网和运行时所需要的激磁无功。电容器组最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的。即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数达到设计的额定功率因数，一般为大于0.98。
1)对电压的影响
国内风电场大多在电网的边缘即电网的薄弱点(短路容量较小的点)联网，风力的波动会引起风机吸收无功的变化，如果风电场容量较大，当系统电压水平降低时，无功补偿量下降，这是同时由于起无功补偿作用的电容器组装设在机端，无功补偿量与接入点的电压的平方成正比。此时风电场本身缺乏无功支持，而补偿无功又大大减少，导致风电场对电网的无功净需求反而上升，进一步恶化电压水平，造成电压崩溃，部分风电机组由于自身的低电压保护停机。风电机组停机后，风电场有功输出减少，需求无功相应减少，系统失去这部分无功负荷又容易导致电压水平偏高。总之，并网风电场会显著影响局部电网的电压质量和电网的电压稳定性。
风电场对电压的影响主要包括电压波动，闪变以及波形畸变电压不平衡等。另外，正常运行中，无功补偿不足时，有功和无功潮流都有发生反向的可能性，逆潮流可能会引起继电保护装置的误操作。
2)对频率的影响
在系统频率方面，风电场的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电场容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著，影响了电网的电能质量和一些频率敏感负荷的正常工作。由于目前国内风电场占系统总容量比例还比较低，因此，频率稳定并不是电网稳定运行中的主要问题。
3)对系统保护装置的影响
在继电保护装置整定方面，风电场也与常规配电网保护不同。一方面，风力发电机组在有风期间均与电网相连，当风速在起动风速附近变化时，为防止风电机组频繁投切对接触器的损害，允许风电机组短时电动机运行，此时会改变联络线的潮流方向。通过风电场与电力系统联络线的潮流有时是双向的，继电保护装置应充分考虑到这种运行方式;另一方面，由于目前一般风机出口电压大都是0.69kV，折算到35kV(或更高电压等级)侧时其阻抗需乘以K=(35/0.69)2，因此从35kV侧的等值
电路来看，风力发电机及相应的低压电缆相当于一个很大的限流电抗，而并网运行的异步发电机没有其它独立的励磁机构，因此在电网发生短路故障时由于机端电压显著降低，很难向电网输送短路电流，因此风电接入点的保护配置要考虑到风电场的这一特点。总之，风电场故障电流主要是公用电网电源提供的。风电场保护的困难是要根据有限的故障电流来识别故障的发生。
第三部分变速恒频风力发电系统
一、变速恒频的简介
变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入到发电控制技术之中，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。
变速恒频系统的发电机转速可在很大范围内变化而不影响其输出电压和频率，即输出频率与转速无关，这就非常适用于风能这种随机性强的能源形式。既然转子速度可变范围变宽，就可以在风速范围内保持基本恒定的最佳叶尖速比，使风能最大限度地转换为机械能提供给
发电机，因此风能利用率比恒速风机高得多。当风电机组安装在平均风速与其最佳设计工况的平均风速相差较大时，变速运行的优势就更加明显了。另外，由于电力电子装置的应用，许多变速恒频发电系统还具有控制系统功率因数的能力，甚至向电网输送无功，这是一般的感应型发电系统所不具备的。
采用变速恒频技术的风力发电系统，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，具体如图2-(a)(b)(c)(d)所示:
图2 多样的变速恒频风力发电系统
(a)永磁发电机变速恒频发电系统
由于发电机转子为永磁式结构，不需要外边提供励磁电源，提高了效率。它的变速恒频控制是在定子回路中实现的，因此所用变频器容量与系统的额定容量相同。该方案的优点是由于采用了永磁发电机，因此可以做到风机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，减少了系统的噪声，提高了可靠性，主要缺点是发电机的转速低，使得整个系统的体积比较大。
(b)交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统
交流励磁双馈发电机的转子具有三相励磁绕组结构,当通以某一频率(转差频率)的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，
则在电机气隙中形成一个同步
旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按电机的转子转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机，则交流励磁发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发电机类似。从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无功功率进行调节;而使用双馈发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位。通过改变励磁电流的频率来改变发电机的转速，以达到调速的目的，从而按最佳运行方式调整发电机运行功率;通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角。因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。
(c)笼型异步发电机变速恒频发电系统
风速变化时，风轮机带动发电机转子变速运行，发电机发出的电能频率是变化的，通过连
接在发电机定子和电网之间的变频器把其转换成电网频率相同的恒频电能，并输入到电网中。由于变频器为全容量，使得发电系统的体积增大和成本提高。运行时需从电网中吸收滞后的无功功率，需要增加无功补偿装置，同时它的功率因数控制也比较困难。
(d)无刷双馈发电机变速恒频发电系统
自1983年美国Steinmetz和德国的Gorges提出级联式无刷双馈电机后，由于该电机没有滑环和电刷，弥补了双馈电机的不足，而且它还能够实现低速运行，因此受到人们的广泛关注。
无刷双馈发电机定子有两套绕组，一个称为功率绕组，直接接电网;另一个称为控制绕组，与变频器连接。转子结构特殊，可以为笼型短路绕阻型、凸极磁阻型、磁障磁阻型或轴向叠片磁阻型结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两绕组极对数之和。发电机转子和风机相连，两定子绕阻以特殊的转子为中介互相作用，变频器产生定子控制绕组的电压，当发电机转子转速变化时，可以通过变频器改变控制绕组中电流的频率，从而使得发电机的输出电压频率保持不变。
这种方法的恒频控制方案是在定子绕组中实现的，流过定子控制绕组的功率仅仅是发电机总功率中的小部分，能够有效地降低变频器的容量，同时还能灵活控制发电机的有功和无功功率。该系统省去了电机中的滑环和电刷等机械装置，提高了系统运行可靠性;可低速运行，是中大容量风力发电系统很好的选择之一。缺点是需要定子两套绕组，电机结构复杂，成本高，电机效率相对较低。另外，由于转子结构原因，转子电流的谐波分量较大。
变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解藕，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它结构复杂、成本高、技术难度大。但是随着电力电子技术的发展，变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。
二、变速恒频风电场接入系统
风电场存在发电机组多、集中分布等特点，在电气主接线方面与普通发电厂有很大区别。变速恒频风电场接入系统如图3所示:
图3 风电场接入系统示意图
对比传统火电厂，风电场接线有如下特点:
(1)常规发电厂，一级升压接入系统;风电场经机端变压器、风电场主变压器两级升压接入系统，在场内产生两次电压降和两次有功、无功功率损耗后才接入电力系统。
(2)风电场中的风电机组数量很多，但由于其一般采用相同型号的风电机组和相同的控制策略，各台风电机组集中放置且排布整齐，对外的功率特性应该基本相同，因此风电场对外功率特性应该和单台风电机组基本类似。在通常风速下，风电场发出的有功功率随着风速的变化在一个较大的区间内变动。
三、双馈风力发电机
双馈式变速恒频发电机组具有良好的动态性能。与恒速风电机组相比，并网运行的双馈式
变速恒频发电机组在最大限度地利用风能、提高机组运行效率的同时变速平稳，能够保持输出有功功率的平稳变化，对电网其它负荷的运行没有影响。在电网发生故障时，双馈式变速恒频发电机组能够有效控制机端电压，增大向电网输出的无功功率，对系统故障恢复起到一定的作用。
3.1 双馈感应风力发电机的简介
双馈异步感应风力发电，主要由风力机、双馈发电机、变频器励磁系统、检测控制系统组成。
所谓双馈感应风力发电机是指发电机的定子绕组发出的电能直接接入到电网中，转子绕组通过双向变流器与电网相连接。当风机的风叶转速发生变化时，风力系统控制器首先调整桨距，使得风叶的转速保持在规定的范围内，同时风力系统控制器调节转子上电流的频率，保证定子总是发出 50Hz的电能。
当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加等于定子的同步转速n1:
式中，n1—定子同步转速 (rpm);n2—磁场转速(rpm);nr—转子的机械转速(rpm)。这样就可以在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速n1的工频电压。
当风速发生变化时，转速nr随之变化。在nr变化的同时，相应改变转子电流的
频率和旋转磁场的速度 n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。
当DFIG的转子以同步转速运行时()，转子中的励磁电流频率，表示励磁电流为直流电流;
当DFIG的转子以超同步转速运行时()，上式取负号，表示励磁电
流产生的磁场的旋转方向与转子旋转方向相反;
当DFIG的转子以次同步转速运行时()，上式取正号，表示励磁电
流产生的磁场的旋转方向与转子转速方向相同。
当风速较低时风机保持运行在低于同步转速的状态下才能达到较高效率，为维持发电机机械转矩与电磁转矩的平衡，转子绕组从电网吸收一定数量的功率再通过定子绕组送回电网;当风速较高时风机需要运行在高于同步速的状态才能达到较高效率，这时一部分功率将直接通过转子绕组送入电网。因为定子与转子两侧都能向电网馈送能量，所以称为双馈电机。
图4 双馈风力发电系统
双馈风力发电系统的结构如图4所示:其定子侧接电网，转子采用三相对称分布的励磁绕组，由幅值、频率、相位以及相序任意可调的变频器提供励磁电流。DFIG在转子回路实现变速恒频控制方案。转子回路的变流环节采用的是中间直流环节的背靠背式电压源交-直-交PWM变流器。网侧变流器的主要任务是保证功率因数和电流波形满足要求，保持直流母线电压稳定。转子变流器的主要任务是调节有功功率、为转子回路提供励磁、调节定子无功功率以及实现最大风能捕获。对比异步风力发电系统，双馈风力发电系统的组成和异步风力发电系统的差别在于其发电机中转子与电网的关系，在双馈风力发电系统中转子通过双PWM变换器实现了转子与电网的连接得到交流励磁也实现了功率的双向流动。而鼠笼型异步发电机的转子没有外加励磁，是通过与旋转磁场的相对运动感应出电流。
3.2 双馈风力发电机的并网方式
双馈风力发电机并网过程与同步发电机及异步发电机并网有所不同。采用交流励磁后，可以根据电网电压和发电机转速来调节转子励磁电流，从而调节定子感应输出电压使其与电网一致，以满足并网的条件，避免较大的冲击电流和电压波动，减少对电网冲击，实现平滑并网。
图5为双馈发电机的典型电能转换电路。整个并网发电系统主要由双馈发电机、双脉冲整流器组成。这种并网方案的特点是在发电机侧和电网侧分别加入脉冲整流器，在低风速的情况下，发电机输出的交流电压经过电机侧脉冲整流器升压后，可以满足电网侧脉冲整流器的正常工作。
风交-直-交变流器
图5 交流双馈发电机的电能转换电路
双馈风力发电系统的并网类型主要有两种:空载并网、带独立负载并网。在这两种并网方式中，转子侧通过励磁变换器(双PWM)与电网连接，定子侧与电网通过并网控制开关直接连接。
(1)空载并网方式
空载并网是指双馈风力发电机在并网前，发电机定子侧空载，通过调节发电机转子侧电流调节定子侧空载电压的参数与电网侧保持一致，以满足并网条件。并网后，由于发电机和电网保持柔性连接，定子侧电流仍然为零，不向电网输送功率，当控制系统切换到最大风能跟踪控制后，实现并网发电。这种并网方式应用定子磁链定向的矢量控制策略对定子感应电压进行控制，原理清晰并且实现简单，并网过程几乎没有冲击电流，转子电流过渡平稳，是一种比较理想的方案。
(2)带负载并网方式
带负载并网方式是指在并网前，发电机定子侧接有独立的负载，根据电网电压以及定子电压和电流等信息，通过对转子励磁电流的幅值、相位和频率进行的调节，使定子电压满足并网条件。负载并网的特点是并网前发电机已经带有独立的负载，定子电流不为零，双馈发电机参与能量控制。因此负载并网控制的信息不仅取决于电网，同时还来自于双馈发电机及定子侧。带独立负载并网方式的缺点是控制比较复杂，要进行电压补偿并检测更多的参考量。
3.2双馈风力发电机的运行特点
变速恒频系统中风力机采用变速运行，即风机叶轮跟随风速的变化改变其旋转速度，风机拖动双馈电机定子旋转，其三相定子绕组与电网相连;转子绕组为正交的三相绕组，并经由IGBT组成的交直交电压型变频器与电网相连。当电机的负载或转速变化时，通过调节转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。
在现代交流调速系统中，双馈风力发电机电机可以调节无功功率，改善电网的功率因数，减少无功功率补偿装置的投资。双馈风力发电机电机运行时，调节转子励磁电流相位，可发出无功功率，特别是带风机、泵类和压缩机等机械，其负载转矩随着转速减小，就是在轻负
载时，也可保证双馈电机向电网发出大量无功功率或按某种规则控制无功功率，改善电网功率因数。双馈风力发电机电机采用定子磁场定向矢量控制，可快速控制电机输出转矩和转速，并可四象限运动，具有良好动态性能，因而可应用于调速精度较高的场合。
四、直驱永磁风力发电机
目前，采用最多的变速风电机组是双馈变速风电机组。然而随着发电机组功率等级的升高，增速齿轮箱的成本随着风电机组单机容量的不断增大而增大，且易出现故障，需要经常维护，可靠性差;同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率要求也在不断提高。在这种情况下，直驱永磁风电机组的研发受到越来越多的关注。该机型的转子采用永磁式结构，风力机与永磁同步发电机通过轴系直接连接，省去了增速齿轮箱，大大减小了系统的机械噪声，提高了可靠性。同时，随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电机组中，占成本比例相对较高的电子开关器件和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电机组具有很好的发展前景。
4.1 直驱永磁风力发电机的简介
直驱永磁同步风力发电系统(D-PMSG)的基本构造图如图6所示:直驱永磁风力发电系统中风力机与永磁同步发电机直接连接，不用升速齿轮箱。首先将风能转化为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过逆变器变换为三相恒幅交流连接到电网。中间通过背靠背双PWM变流器，对系统有功功率和无功功率进行解耦控制，实现最大风功率追踪，以便最大效率利用风能。一个完整的直驱永磁同步风力发电系统由风力机、机械传动系统、永磁同步发电机、全功率变流器及桨距角控制、整流器控制和逆变器控制三个控制环节组成。
图6 直驱永磁同步风力发电系统
永磁同步发电机由永磁铁励磁，转子上没有励磁绕组，因此不存在励磁绕组的铜耗，其效率高于同容量的电励磁式发电机;而且转子上没有滑环，运转时安全可靠。风力机和永磁发电机通过轴系直接耦合，省去了齿轮箱，大大提高了系统的可靠性，减少了系统的运行噪声，降低了发电机的维护工作量。
在直驱永磁同步风力发电系统中，由于永磁同步发电机通过轴系由风力机直接驱动，而风力机属于低速旋转的机械设备，所以必须采用低速永磁同步发电机。低速永磁发电机的极对数大大多于普通交流同步发电机，通常在30对以上，因此电机的转子外圆及定子由于不采用齿轮箱，机组水平轴向的长度大大减小，电能生产的机械传动
路径缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪音等。
2. 由于发电机具有大的表面，散热条件更有利，使发电机运行时的温升减低，减小发电机温升的起伏。
第四部分模型的建立与对比
以上所谈及到的风力发电系统通用的模型有风速模型、风机模型(即空气动力学模型)，不同的在于各自的发电机模型及控制策略的不同，以及各自的电力电子设备的不同(即变频器的不同)。
一、风速模型
自然界的风速是复杂的、时变的。为了精确地描述风速的随机性和间歇性的特点，通常将其描述为四种类型，即基本风速(mean wind speed)、渐变风速(ramp wind speed)、阵风(gusty wind)和随机噪声风(turbulence wind)。风速变化的模型通常用这4种成分的组合来模拟。
(1) 基本风
基本风就是风场在一定时间 (1) 式中V为基本风(m/s)，A和K是威布尔分布的尺度参数和形状参数，
K)表示伽马函数。当考虑秒级时间段的计算时，基本风速就可视为常
数。
(2) 阵风
阵风在风力系统中被用来描述突然变化的风速，在该时间段 (2)
Vc
os
max
G
T(
/)(]}3)
式中Vgmax ，T1G，TG分别为阵风风速的最大值、阵风启动时间、阵风周期。
(3) 渐变风
渐变风反应了风速的逐渐变化情况。
ax
(4)
(5)
其中Vrmax，T1R，T2R，TR分别为渐变风风速最大值，起始时间，终止时间与持续
时间。
(4) 随机风
风速在任何时刻都是不停变化的，为了反映这种小范围变化，可以用随机的噪声风来模拟。随机风用来反映实际风速中随机特性:
N
1/2
(6)
2
式中
12
，
2KNF
2
24/3
;是0-2π
间均匀分布的随机量;KN是地表粗糙系数，一般为0.004;F(m2)为扰动范围;
为相对高度的平均风速。
综合上述四种风速分量，模拟实际作用域风力机上的风速VW为:
(7)
二、风力机模型
风轮机是吸收风能并将其转换成机械能的部件。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转，从而风能转变成机械能，进而驱动发电机。风力机把风能转化为机械能的过程是个复杂的空气动力学过程，精确描述它非常困难。根据贝兹理论，风机捕获的机械功率为:
(8)
其中P为风机捕获的功率，ρ为空气密度，CP为风能捕获系数，R为风叶半径，v为风速。CP为风力机的风能利用系数。
它的物理意义是:风力机的风轮能够从自然风中吸收能量与风轮扫风面积内未扰动气流所具有风能的百分比。CP为叶尖速比与桨矩角的函数，可用如下非线性的函数模拟:
(9)
由上式根据不同的桨距角和叶尖速比计算得到的
况CpCp，可得出不同桨距角情-曲线。
图7 不同桨距角情况下Cp-曲线
当桨距角β逐渐增大时，曲线Cp显著减小。如果桨距角β不变(定桨距)，则Cp唯一由叶尖速比λ决定。考虑λ的定义式可知，对于一个固定的风速v，又有唯一的ω可以使得Cp最大。这时的λ被称为这一固定桨距角下的最佳叶尖速比λopt，它对应的风能利用系数为Cpmax。当尖速比λ大于或者小于λopt
如何进行轴流风机机翼型叶片参数化建模方法 一、引言 轴流风机在现代工业中起着至关重要的作用。它们被广泛应用于空调 系统、通风系统、发电厂和飞机引擎等。轴流风机的性能和效率直接 受到其机翼型叶片设计的影响。对于轴流风机机翼型叶片的参数化建 模方法的研究至关重要。在本文中，将深入探讨轴流风机机翼型叶片 参数化建模方法的相关内容，并提出一些个人观点和理解。 二、轴流风机机翼型叶片的重要性 1. 减小能耗 轴流风机的主要任务是输送空气，因此其能效对于工业生产至关重要。合理设计的机翼型叶片可以减小能耗，提高风机的效率，从而为工业 生产节约能源和成本。 2. 提高稳定性 良好设计的机翼型叶片能够提高轴流风机的稳定性和耐用性，降低风 机运行时的噪音和振动，从而延长设备的使用寿命。 三、轴流风机机翼型叶片参数化建模方法 1. 采用CAD软件进行建模 利用CAD软件进行轴流风机机翼型叶片的参数化建模是一种常见的方法。通过在CAD软件中进行参数化设计，可以方便快捷地进行叶片形
状的调整和修改，从而实现机翼型叶片的优化设计。 2. 利用计算流体力学(CFD)进行仿真分析 结合计算流体力学(CFD)方法，可以对轴流风机机翼型叶片的流场进行精确模拟和分析，从而优化叶片的形状和结构，提高风机的性能和效率。 3. 基于参数化建模的优化设计 通过建立基于参数化建模的优化设计方法，可以对轴流风机机翼型叶 片的关键参数进行全面的优化设计，从而实现最佳的风机性能和效率。 四、个人观点和理解 在我看来，轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的研究对于提高轴流 风机的性能和效率至关重要。通过不断优化设计，可以实现能源的节 约和环境的保护。同时, 研究轴流风机机翼型叶片参数化建模方法也有助于加深对于风机流体力学行为的理解，对于未来的风机设计和改进 有着积极的影响。 五、总结和回顾 本文深入探讨了轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的相关内容，介 绍了CAD软件建模、CFD仿真分析和基于参数化建模的优化设计等方法。本文也共享了个人观点和理解。通过对轴流风机机翼型叶片参数 化建模方法的研究，可以更好地理解轴流风机的工作原理，实现对轴
PSCAD 电力系统仿真 ——从风机到风电场建模
目录 A部分：引言............................................................. - 2 - 1.介绍............................................................... - 2 - 2.PSCAD部件......................................................... - 2 - 3.仿真建模结构....................................................... - 3 - 4.仿真执行........................................................... - 3 - B部分：建模............................................................. - 4 - 5.从风到同步发电机................................................... - 4 - 5.1风源......................................................... - 5 - 5.2风力发电机组件............................................... - 6 - 5.3风力发电机的调速器组件....................................... - 9 - 5.4同步发电机.................................................. - 12 - 5.5涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟.......................... - 15 - 6.AC/DC/AC：电源和频率转换.......................................... - 17 - 6.1二极管整流器................................................ - 17 - 6.2过电压保护.................................................. - 19 - 6.3 DC母线..................................................... - 20 - 6.4 6-脉冲晶闸管逆变器.......................................... - 23 - 6.5与电网的连接................................................ - 29 - 7.配电网............................................................ - 31 - 7.1定义网络.................................................... - 31 - 7.2潮流仿真.................................................... - 34 - C部分：仿真............................................................ - 36 - 8. 恒风速研究....................................................... - 36 - 8.1架构完整模型................................................ - 36 - 8.2恒风研究.................................................... - 37 - 9.故障分析.......................................................... - 38 - 9.1默认在节点3 ................................................. - 38 - 9.2默认在节点2 ................................................. - 41 - 9.3结论........................................................ - 43 - 10.变风速研究....................................................... - 44 - 10.1动态变桨控制............................................... - 44 - 10.2被动变桨控制仿真........................................... - 47 - 10.3比较被动和动态的桨距控制................................... - 48 - 11.风电场........................................................... - 50 - 11.1从一个单一风力发电机到风电场............................... - 50 - 11.2 PWM调节驱动器............................................. - 53 - D部分：附录............................................................ - 64 - 12. 参考文献........................................................ - 64 -
实验一 ：风力发电机组的建模与仿真 XX ：樊姗 __031240521 一、实验目的: 1掌握风力发电机组的数学模型 2掌握在MATLAB/Simulink 环境下对风力发电机组的建模、仿真与分析； 二、实验内容: 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： 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。本课题不考虑风向问题，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： n r g b V V V V V +++= （1-1） （1）基本风速在风力机正常运行过程中一直存在，基本反映了风电场平均风速的变化。一般认为，基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定，且其不随时间变化，因而取为常数 （2）阵风用来描述风速突然变化的特点，其在该段时间内具有余弦特性，其具体数学公式为： ⎪ ⎩⎪ ⎨⎧=00cos 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 。 （3）渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下： ⎪⎩⎪ ⎨⎧=0 0v ramp r V r r r r t t t t t t t 2211><<< （1-4） 式中： ⎪⎪⎭ ⎫ ⎝⎛---=r r r ramp t t t t R v 212max 1 （1-5） r t 1为渐变风开始时间，单位 s ；r t 2为渐变风终止时间，单位 s ；r V ，ramp v 为不同时 刻渐变风风速，单位 m/s ；max R 为渐变风的最大值，单位 m/s 。 （4）随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点，此处不再描述。 风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转化将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数 p C <0.593。风力机实际得到的有用功率为： ()λβρπ,5.03 2P w s C v R P = (2-6) 而风轮获得的气动扭矩为： ()λβρπ,5.02 3T w r C v R T = (2-7) 其中：
风机种类 有许多朋友虽然知道风机是什么，但是面对市场上各种各样的不同类型，也是挑的眼花缭乱。那么风机的种类到底有哪些呢？下面，小编就用一张图片来给大家简单介绍一下风机的种类。 除了上图中所示的风机种类，风机还有许多其他的分类方法。 1、风机按使用材质分类可以分好几种，如铁壳风机（普通风机）、玻璃钢风机、塑料风机、铝风机、不锈钢风机等等。 2、风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。 (1)离心风机。气流轴向进入风机的叶轮后主要沿径向流动。这类风机根据离心作用的原理制成，产品包括离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机。 (2)轴流风机。微博威海网库-风机交易气流轴向进入风机的叶轮，近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流动。这类风机包括轴流通风机、轴流鼓风机和轴流压缩机。(3)回转风机。利用转子旋转改变气室容积来进行工作。常见的品种有罗茨鼓风机、回转压缩机。 3、风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。 4、风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。 5、风机按照加压的形式也可以分单级、双级或者多级加压风机。如4-72是单级加压，高端风机则是多级加压风机。 6、风机按照用途划分可以分为：轴流风机、混流风机、屋顶风机、空调风机等。 7、风机按压力可分为低压风机、中压风机、高压风机。 8、按出口压力（升压）分为：通风机（≤1.5万Pa）、鼓风机（1.5～35万Pa）、压缩机（≥35万Pa）。更多资讯请关注中国风机交易网
所有的风机类型和建模 第一部分风机的分类 风力发电机组由两大部分组成，即风力机和发电机。其中，风力机的功能是将风能转化为机械能;而发电机的功能则是将机械能转换成电能。因此风电装备的类型归属需要从两个角度划分，一是从机械角度划分，二是从电气角度划分。 1. 从机械角度对风机分类 风力机的类型和种类很多，但由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮，因此风机依风轮的机构特点及其在气流中所处的位置(即风机转轴的机械位置)大体上可以分为两大类:一类为水平轴风机，一类为垂直轴风机。两种类型的风力发电机在结构上各有优点，也各自有其不足之处，在实际设计制造中应结合具体情况确定结构的具体形式。 1.1 水平轴风力机 水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片与旋转轴相垂直安装，并与风轮的旋转平面成一角度Φ(安装角)。 水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同可有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力机;风轮安装在塔架的下风位置的，则称为下风向风力机。上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。 水平轴风力机组有两个主要优势:一是实度较低，其能量成本低于垂直轴机组;二是叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。水平轴风力机是目前世界风机市场中的主流机型。 1.2 垂直轴风力机
垂直轴风力机的传动轴与地面垂直布置，设计较简单，风轮在风向改变时无需对风，可减少风轮对风时的陀螺力。 垂直轴风力机的优点如下:一是可以接受来自任何方向的风，因而在风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，结构设计简化;二是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，检修维护方便。 2 从电气角度对风机分类 2.1 异步风力发电机 在国内已运行的风电场大部分机组是异步风力发电机。主要特点是结构简单，运行可靠，价格较便宜，此种发电机为恒速恒频机组。运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，采用在机端并联补偿电容器，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转，为了充分利用低风速时的风能，增加全年发电量，近年广泛应用双速异步发电机，此种电机可以改变极对数，有大、小电机两种运行方式，采用4极或6极电机，运行速度分别为1500r/min或1000r/min。 2.2 双馈异步风力发电机 现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组都选用双馈异步风力发电机，能够实现风力机叶片桨距调节及变速运行。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节到风力机的最优化效率数值，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得较高的系统效率;可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化;发电机
风机 本章风机是指通风机而言。由于通风机的工作压力较低，因此可以忽略气体的压缩性。这样，在通风机的理论分析和特性研究中，气体运动可以按不可压缩流动处理。这一近似使得通风机与水泵在基本原理、部件结构、参数描述、性能变化和工况调节等方面有很多的相同之处，在水泵的各相关内容中已作了论述。但是，由于流体物性的差异，使通风机和水泵在实际应用的某些方面有所不同，形成了通风机的一些特点。 第一节风机的分类与构造 一、风机分类 1、按风机工作原理分类 按风机作用原理的不同，有叶片式风机与容机式风机两种类型。叶片式是通过叶轮旋转将能量传递给气体；容积式是通过工作室容积周期性改变将能量传递给气体。两种类型风机又分别具有不同型式。 离心式风机 叶片式风机轴流式风机 混流式风机 往复式风机 容积式风机 回转式风机 2、按风机工作压力（全压）大小分类 p98Pa(10 mmH2O）。此风机无机壳，（1）风扇标准状态下，风机额定压力范围为< 又称自由风扇，常用于建筑物的通风换气。 p14710Pa(1500 mmH2O)。 （2）通风机设计条件下，风机额定压力范围为98Pa<< 一般风机均指通风机而言，也是本章所论述的风机。通风机是应用最为广泛的风机。 空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。 p196120Pa。压力较高，是污水处理曝（3）鼓风机工作压力范围为14710Pa<< 气工艺中常用的设备。 p196120Pa，或气体压缩比大于3.5的风机，如常（4）压缩机工作压力范围为> 用的空气压缩机。 二、通风机分类 通风机通常也按工作压力进行分类。 p980Pa(100 mmH2O) 低压风机≤ 摘要 本文主要介绍扭转型垂直轴风力发电机风轮的设计计算及SolidWorks建模 过程。包括当今世界及国内风力发电研究的现状，垂直轴风力发电机研究的兴起。本文中详细说明了扭转型风力发电机风轮三维零件图、装配图以及工程图的绘制过程。 关键词：风力发电垂直轴扭转型SolidWorks 目录 前言 (1) 一、小型风力发电机概述 (2) 1.1风电发电机分类 (2) 1.2世界风力发电现状 (3) 1.3国内风力发电发展概况 (4) 1.4设计思想及计算 (4) 二、Solidworks 2006概述 (6) 2.1软件安装 (6) 2.2界面介绍 (6) 三、风轮三维零件图 (8) 3.1草图绘制及步骤说明 (8) 3.2草绘特征及操作说明 (9) 3.3完成三维实体建模及输出 (9) 四、风轮三维装配图 (10) 4.1分析装配及传动方案，绘制装配零件 (10) 4.2建装配体及操作说明，输出装配图 (12) 4.3装配动画（爆炸视图）制作及制作说明 (12) 五、风轮工程图 (13) 六、设计小结 (14) 七、致谢 (15) 附录：课程设计任务书、A4风轮三维零件图、A4风轮三维装配图、A4风 轮工程图 前言 随着能源短缺和环境污染的日趋严重，无污染无成本的风能已成为当今全球性的热门研究课题。然而，近几十年对风能的利用均以水平轴的风力机为主，其结构庞大，单位面积效率低，且需复杂的启动装置。本论文设计的垂直轴式风力机结构简单，启动、切入风速要求低,体积小,重量轻、安装携带都非常方便。采用Solidworks软件实现风力发电机的三维建模，结构清晰，可以很好地展示垂直轴风力发电机的结构特征。 1. 设计任务与要求 1.1 课题任务 200W扭转型风力发电机风轮的Solidworks建模。要求按照输出功率及设计参数确定风力发电机风轮尺寸，借助Solidworks软件平台实现风轮的三维建模。 1.2 设计参数 垂直轴风力发电机风轮设计风速ν=10m/s,风能利用系数Cp = 0.28，转矩系数Cm = 0.32，尖速比λ = 0.86。 1.3 设计流程 （1）了解任务书，明确设计任务，收集和阅读相关资料，分析装配及传动方案，计算风力发电机设计尺寸； (2)熟悉Solidworks软件平台的操作应用，绘制零件图，完成风轮的三维建模； （3）编写设计说明书。 2.三维建模工具Solidworks 2006简介 SolidWorks 软件是由美国SolidWorks公司在Windows平台上研制开发的一套三维机械CAD 软件,功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点,使其成为领先的、主流的三维CAD解决方案。应用SolidWorks,通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面，并且可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作，这样就可以很方便地实现风力发电机风轮的实体建模设计。 风机选型及应用 第一篇：风机选型的基本原则 风机是工业生产中常用的设备之一，它能够将空气吸入 并排出而形成气流，用来调节温度、湿度和气体浓度，或将粉尘、气味等物质排出室外。在选择风机时，需要考虑多种因素，以下是风机选型的基本原则： 一、风量 风量是风机的主要性能参数，通常表示为单位时间内通 过风机的气体体积。在选择风机时，需要先确定所需的风量（即排风量或送风量），再根据所在应用环境的具体要求选择相应的风机型号。风量的计算公式为：Q=V×F，其中Q为风量，V为房间体积，F为换气次数。 二、风压 风压是指风机所能产生的静压力或动压力。在实际应用中，风机的使用场合会存在不同的风阻，如空气过滤器、风管、弯头和阀门等，这些都会导致风机所需要的风压不同。因此，选择风机需要根据实际应用情况来确定所需的风压。 三、功率 风机的功率是指风机所需的能量，通常以马力（HP）或 千瓦（KW）表示。在选择风机时，需要根据所在环境的要求和预算情况来确定所需的功率。 四、噪音 风机噪音是指风机在运行时所产生的声音。在选择风机时，需要考虑噪音对周围环境的影响，以及是否需要额外的噪 音控制措施。 五、耐腐蚀性 在某些应用环境中，如化学工业、电镀和半导体制造等 行业，会存在腐蚀性气体或液体的存在，因此选择具有良好耐腐蚀性的风机非常重要。 综上所述，风机选型需要考虑多种因素，包括风量、风压、功率、噪音和耐腐蚀性等，要根据不同环境的要求进行选择，以便满足实际应用需求。 第二篇：风机的应用范围 风机广泛应用于许多不同的行业和领域，以下是几个常 见的应用范围： 一、建筑工程 风机在建筑工程中广泛应用，如电梯井通风、卫生间通风、地下车库通风等。这些应用需要考虑的因素包括通风效果、噪音限制、风量和耐腐蚀性等。 二、农业 风机可以用于农业生产中，例如，排风系统可以减少禽 畜饲养中的异味和有害气体，改善空气质量。此外，风机还可以帮助恒温、通风和控制湿度等。 三、化工 化工行业需要使用许多耐腐蚀性好的风机，以便处理化 学物质。风机可以用于反应釜、反应器、吸附塔、烘干器、冷却塔和喷雾塔等设备中。 四、电力 风机在电力行业中的应用非常广泛。例如，燃煤电站中 需要使用大型离心风机来排放废气，或用于脱硫、脱硝和烟气脱除设备等。 PSCAD风机和风电场建模教程 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（PSCAD风机和风电场建模教程）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为PSCAD风机和风电场建模教程的全部内容。 PSCAD 电力系统仿真 ——从风机到风电场建模 目录 A部分：引言....................................................................................................... - 2 -1。介绍 ......................................................................................................... - 2 - 2.PSCAD部件 ................................................................................................ - 3 - 3.仿真建模结构 ............................................................................................ - 4 - 4.仿真执行 .................................................................................................... - 5 -B部分：建模....................................................................................................... - 6 - 5.从风到同步发电机 .................................................................................... - 6 - 5。1风源 ............................................................................................... - 8 - 5.2风力发电机组件 .............................................................................. - 9 - 5。3风力发电机的调速器组件 ......................................................... - 13 - 5。4同步发电机 ................................................................................. - 17 - 5.5涡轮发电机连接:在额定负载下的模拟 ....................................... - 20 - 6.AC/DC/AC：电源和频率转换 ................................................................. - 23 - 6.1二极管整流器 ................................................................................ - 24 - 6.2过电压保护 .................................................................................... - 25 - 6。3 DC母线........................................................................................ - 27 - 6。4 6—脉冲晶闸管逆变器................................................................ - 31 - 6.5与电网的连接 ................................................................................ - 37 - 7。配电网 ................................................................................................... - 40 - 7.1定义网络 ........................................................................................ - 40 - 7.2潮流仿真 ........................................................................................ - 43 - 风力发电机组的建模和控制 一、引言 风力发电作为一种清洁能源，受到了越来越多国家的关注和推广。其中，风力发电机组是发电的核心部件，它的建模和控制对 于提高风力发电效率和降低成本至关重要。本文将从建模和控制 两个方面对风力发电机组进行详细的介绍。 二、风力发电机组建模 1. 框图建模 框图建模是风力发电机组建模的一种简单有效的方法，根据其 工作原理，将其分为机械部分、发电机部分和控制部分三个子系统。机械部分包括风轮、轴承、传动装置等；发电机部分包括发 电机、电容器等；控制部分包括风速传感器、转速传感器、转矩 传感器等。不同子系统之间通过传递物理量实现耦合。 2. 数学建模 数学建模是风力发电机组建模更加精确的方法。将机械、电气 和控制部分分别采用不同的数学模型，通过数学公式描述它们之 间的关系。其中，机械部分的模型可以采用旋转体的动力学模型，电气部分的模型可采用功率方程和转子电路的方程，控制部分的 模型可以采用PID控制器等。 三、风力发电机组控制 1. 风速控制 风速控制是风力发电机组控制的一种重要方式，通过控制风轮的转速以及转矩来控制风机的工作状态。其主要包括集中式控制和分布式控制两种方式。集中式控制由集中的控制器控制所有的风机，而分布式控制则分别控制每个风机。 2. 转速控制 转速控制也是风力发电机组控制的一种重要方式，主要是通过控制转速来避免风机的过载和过速现象。其主要包括定速控制和变速控制两种方式。定速控制采用恒定转速运行，而变速控制则可以根据实际风速进行调节。 3. 转矩控制 转矩控制是风力发电机组控制中最重要的一种方式，主要是通过控制发电机的转矩来控制风机的功率输出。其主要包括实时控制和最大功率点跟踪两种方式。实时控制通过反馈控制实现转矩调节，而最大功率点跟踪则是根据实际风速进行转矩调节，以实现最大化的功率输出。 四、总结 双馈风电系统的建模仿真研究与设计 为了对双馈风电系统进行建模仿真研究和设计，需要考虑以下几个方 面的内容： 1.风机模型：风力发电机的模型通常由刚性转子、永磁同步发电机和 转子侧的变频器组成。确定风机的机械特性和电气特性，以及风速与输出 功率之间的关系，这些参数可以通过实验或者已有的文献进行获得。在仿 真中，可以通过模拟风速和风机负载来测试系统的响应和性能。 2.变频器模型：变频器是双馈风电系统中非常重要的部分，它用于控 制发电机的转速和电压。为了进行仿真研究，需要构建变频器的电路模型，并确定其控制策略和参数。常用的控制策略包括电压控制和转速闭环控制。通过仿真可以测试不同的控制策略在不同工况下的性能。 3. 功率电子器件模型：双馈风电系统中包含多个功率电子器件，如 变频器中的IGBT、MOSFET等。需要建立这些器件的模型并确定其参数， 例如电容和电感的数值。这些模型可以通过电路仿真软件进行建立，例如PSCAD、MATLAB/Simulink等。 4.输电网模型：双馈风电系统需要将发电的电能输送到电网中。因此，需要建立电网的模型，并考虑电网的稳定性和电气参数。可以根据实际情 况设置电网中的节点并确定节点的参数。通过仿真可以测试风电系统在不 同节点工况下的运行稳定性。 在进行双馈风电系统的建模仿真研究和设计时 1.在建模过程中，需要准确获取系统参数，例如风机特性曲线、变频 器控制参数等。这些参数对于研究系统的性能和运行特性非常重要。 2.在仿真过程中，可以考虑不同的工况条件，例如不同的风速和负载 情况。通过测试系统在不同工况下的性能，可以评估系统的稳定性和效率。 3.在进行仿真研究时，可以采用不同的控制策略和算法，例如PID控制、模糊控制和最优控制等。通过比较这些控制策略在系统性能上的差异，可以选择最优的控制方案。 总之，双馈风电系统的建模仿真研究和设计需要考虑风机模型、变频 器模型、功率电子器件模型和输电网模型等方面的内容，并进行准确参数 的设置和不同工况下的测试。通过仿真研究，可以评估系统的性能和运行 特性，并优化系统的控制策略和设计参数。 风力发电系统中的建模与控制研究 在当今的清洁能源发展领域中，风力发电系统的应用越来越广泛。然而，风力发电系统的性能受到很多因素的影响，如风速、方向、风机的角度等，因此需要对其进行建模和控制。本文将对风力发电系统的建模和控制进行详细介绍。 一、风力发电系统的建模 风力发电系统的建模是指对其进行数学模型的建立，以便于对其进行分析和优化。通常，风力发电系统可以分为两类：水平轴式和垂直轴式，两者的建模方法略有不同。 1.水平轴式风力发电机的建模 水平轴式风力发电机的建模通常涉及以下几个方面的内容： (1) 风速建模：风速是风力发电机发电的重要参数，其建模一般采用韦伯分布模型或雷诺分布模型等。 (2) 风机建模：风机在发电过程中的旋转角度、转速等参数的建模，可以采用PID控制器或模糊控制器进行建模。 (3) 发电机建模：发电机的建模包括稳定性、转矩特性等方面的内容，可以采用dq坐标转换进行建模。 2.垂直轴式风力发电机的建模 垂直轴式风力发电机的建模通常涉及以下几个方面的内容： (1) 风车叶片建模：风车叶片的建模通常包括气动特性等方面的内容，可以采用贝塞尔曲线、叶片离散化等方法进行建模。 (2) 风机建模：风机的建模同水平轴式风力发电机相似，通常采用PID控制器或模糊控制器进行建模。 (3) 发电机建模：同水平轴式风力发电机相类似，发电机的建模也可以采用dq 坐标转换进行建模。 二、风力发电系统的控制 风力发电系统的控制是指在对其进行建模的基础上，对风力发电系统进行控制，以优化其性能、提高其效率。 1.PID控制器 PID控制器是风力发电系统控制中最常用的控制器之一，其可调性强、稳定性好，在控制精度和速度上表现良好。 2.模糊控制器 模糊控制器则是一种更为高级的控制器，其利用模糊数学理论，将模糊变量通 过模糊推理引擎转换为控制信号，从而实现对风力发电系统的控制。 3.滑模控制器 滑模控制器则是一种更为高级的控制方法，其可实现对风力发电系统的精准跟 踪和控制，是当前控制水平较高的控制方法之一。 三、结语 通过对风力发电系统的建模和控制进行研究，可以进一步优化风力发电系统的 性能和效率，实现利用风能进行清洁能源发电的目标，并有望成为新能源领域的重要发展方向之一。 双馈风机及其变流器建模与控制 以双馈风机及其变流器建模与控制为标题的文章 双馈风机是一种常见的风力发电机组，其特点是通过双馈变流器将风机的转子电流和电网的电流分别输送到定子和转子上。这种结构使得双馈风机具有较高的功率转换效率和较好的电网适应性。本文将介绍双馈风机及其变流器的建模与控制方法。 双馈风机的建模是指将其电气特性抽象成数学模型，以便进行仿真和控制分析。双馈风机的主要部分包括风轮、变速箱、发电机和变流器等。在建模过程中，需要考虑风轮的气动特性、发电机的电磁特性以及转速与功率之间的关系。 双馈风机的变流器是实现电能转换的关键部件，它将风机的输出电流转换为交流电并注入电网中。变流器的主要功能是控制电机的转速和功率输出，并实现与电网的稳定连接。常见的双馈风机变流器包括电压源型和电流源型两种。 在双馈风机的控制中，主要包括转速控制和功率控制两个方面。转速控制是指根据风机的运行状态调整转子的转速，以保持风机的最佳工作状态。功率控制是指根据电网的需求调节风机的输出功率，以实现电网的稳定运行。 双馈风机的转速控制可以通过控制变流器的电流和电压来实现。采 用感应电机的双馈风机通常采用转子侧电流控制的方式，通过调节转子电流的大小和相位来控制转子的转速。而采用永磁同步电机的双馈风机则可以通过调节转子侧电压来控制转速。 功率控制是通过控制变流器的输出功率来实现的。在双馈风机中，可以通过控制转子电流的大小和相位来调节风机的输出功率。同时，还可以通过控制变流器的电压和频率来实现功率调节。 双馈风机及其变流器的建模与控制是风力发电系统中的重要研究内容。通过建模和仿真分析，可以研究双馈风机在不同工况下的性能特点，优化控制策略，提高发电效率。同时，还可以研究变流器的设计和控制方法，提高风力发电系统的可靠性和稳定性。 双馈风机及其变流器的建模与控制是风力发电研究中的重要方向。通过建立准确的数学模型，并采用合理的控制策略，可以实现双馈风机的高效运行和稳定输出。未来的研究可以进一步优化建模方法和控制算法，提高风力发电系统的性能和经济性。 PSCAD风机和风电场建模教程 PSCAD是一种用于电力系统仿真的软件工具，它可以帮助工程师模拟和分析各种电力系统的行为。在风能领域中，PSCAD也被广泛应用于风机和风电场的建模和仿真。本文将介绍PSCAD中风机和风电场建模的基本步骤和一些建模技巧。 首先，为了建模风机和风电场，我们需要了解风机和风电场的基本原理。风机是将风能转化为电能的设备，它由风机转子、风机塔和风机控制系统组成。风电场是由多个风机组成的集合体，在网络中并联运行。 在PSCAD中建模风机，可以将其分为机械部分和电气部分。机械部分包括风机转子的旋转和机械件的运动，可以使用旋转机械件模块实现。电气部分包括风机的电气特性和控制系统，可以使用电气元件和控制系统元件进行建模。 在建模风机转子时，可以使用旋转机械件模块，选择合适的转子类型和参数。通常，风机转子是根据风速来调整转速和转矩的，可以使用转速和转矩曲线来描述。在PSCAD中可以使用旋转机械件模块中的曲线调节器来实现这一功能。 在建模风电场时，可以将多个风机并联连接在一起。在PSCAD中，可以使用并联连接模块将多个风机连接到电网中。并联连接模块可以根据需要设置风机的数量和参数，以及风机与电网的连接方式和参数。在建模风电场时，还需要考虑到风机之间的互相影响，例如，当一个风机失效时，其他风机应该能够承担相应的负荷。 在风电场建模中，还需要考虑风电场的调度和控制。例如，根据电网的需求和风机的性能，可以设置不同的运行模式和控制策略。在PSCAD中 可以使用控制系统模块来建模风电场的控制系统，通过调整控制策略和参数，实现风电场的优化运行。 在建模风机和风电场时，还需要考虑到风速的变化和风机的响应时间。例如，当风速突然改变时，风机需要一定的响应时间来调整转速和转矩。 在PSCAD中可以使用时间域仿真来模拟风速的变化和风机的响应，通过调 整仿真时间步长和模型精度，得到准确的仿真结果。 总之，PSCAD是一种强大的工具，可以帮助工程师建模和仿真风机和 风电场。在建模时，需要了解风机和风电场的基本原理，选择合适的模型 和参数。在仿真时，需要考虑到风速的变化和风机的响应时间，通过调整 仿真设置和模型精度，得到准确的仿真结果。通过使用PSCAD进行风机和 风电场建模和仿真，可以帮助工程师更好地理解和优化风能系统的行为。 通风机的不同分类 通风机，又叫风机，是一种能够通过风力将空气推动或吸入的机器。通风机应用广泛，在很多领域都有用途，譬如空气循环、消防通风、采矿通风等。 通风机的分类有很多种，下面我们来详细介绍一下。 按风机用途分类 1.工业通风机 工业通风机，顾名思义就是应用于工业生产过程中的通风设备。工业通风机将空气从一处抽出再送到另一处，以实现有效的通风循环。工业通风机按照不同用途可以又分为喷漆通风机、暴风通风机、防爆通风机等。 2.水暖通风机 水暖通风机，就是利用水力叶轮催动转子产生的动力，将空气进行强力推动的一种风机。水暖通风机广泛应用于大型建筑物、公共场所等地方。 3.船用通风机 船用通风机是专门为船舶设计制造的一种通风设备。船用通风机采用电动机驱动，通过送风管将空气送到各处。 按叶轮尺寸分类 1.轴流通风机 轴流通风机是一种成熟的风机类型，是工业领域中常见的轴流风机。轴流通风机叶轮是一种椭圆形的螺旋状，能够将空气沿叶轮轴线方向推动。轴流通风机有很多优点，如结构紧凑，噪音低等。 2.径流通风机 径流通风机是一种颇为常见的小型风机。径流通风机叶轮是一种弧形，能够将空气沿着叶轮的弧线方向进行推动。径流通风机体积小，结构简单，既能够达到通风的目的，又能够起到降温、除湿等作用。 3.离心通风机 离心通风机是一种大型的机械设备，适用于大型建筑物或煤矿、大型企业等工业场合。离心通风机以大型离心叶轮为主要结构，能够将空气推送到较远的地方，有很好的通风效果。 按驱动方法分类 1.电机驱动风机 电机驱动风机是一种普及度最大、应用最广泛的风机驱动方法。它通过电动机 带动叶轮进行旋转，从而实现通风的效果。电机驱动风机具有操作简便、使用方便、噪音小等优点。 2.风动驱动风机 风动驱动风机是一种简单的风机驱动方式，不同于电机驱动风机。风动驱动风 机利用自然的风力或通过风机转动时自身产生的风力产生动力。风动驱动风机一般只适用于小型应用场合，在工业场合中几乎不用。 以上就是通风机的不同分类，不同类型的通风机具有不同的特点和适用范围， 根据不同要求合理选取通风机型号和类型具有很大的重要性。 风机的分类与构造 一、风机分类 1、按风机工作原理分类 按风机作用原理的不同，有叶片式风机与容机式风机两种类型。叶片式是通过叶轮旋转将能量传递给气体；容积式是通过工作室容积周期性改变将能量传递给气体。两种类型风机又分别具有不同型式。 离心式风机 叶片式风机轴流式风机 混流式风机 往复式风机 容积式风机 回转式风机 2、按风机工作压力（全压）大小分类 p98Pa(10 mmH2O）。此风机无机壳，（1）风扇标准状态下，风机额定压力范围为< 又称自由风扇，常用于建筑物的通风换气。 p14710Pa(1500 mmH2O)。 （2）通风机设计条件下，风机额定压力范围为98Pa<< 一般风机均指通风机而言，也是本章所论述的风机。通风机是应用最为广泛的风机。 空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。 p196120Pa。压力较高，是污水处理曝（3）鼓风机工作压力范围为14710Pa<< 气工艺中常用的设备。 p196120Pa，或气体压缩比大于3.5的风机，如常（4）压缩机工作压力范围为> 用的空气压缩机。 二、通风机分类 通风机通常也按工作压力进行分类。 p980Pa(100 mmH2O) 低压风机≤ 风力发电机扭转型风轮的Solidworks建模课程设计
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