海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中永磁式直驅(qū)風(fēng)電機(jī)的性能優(yōu)化在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制中，通過運用PI調(diào)節(jié)器，可檢測出風(fēng)電機(jī)組葉片接收到 11緒論 11.1此次課題研究的目的和意義 11.2此次課題研究現(xiàn)狀 1 2 22風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理和選擇 4 42.1.1風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu) 42.1.2永磁發(fā)電機(jī) 52.2大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇 63捕獲最大風(fēng)能的運行機(jī)理 8 83.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性系數(shù) 4利用MATLAB/Simulink對最佳葉尖速比控制參數(shù)的仿真 4.1MATLAB簡介 4.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型 4.2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型建立 4.2.2輸出功率追蹤控制模型的建立 4.3追蹤仿真 5總結(jié)與展望 施。風(fēng)能的特征表現(xiàn)為占地少、開發(fā)利用效率高，且對環(huán)境的要求不高。應(yīng)的成本顯著降低(李文博，王志遠(yuǎn)，2018);在運行過程中不會受到明顯的電磁干滿足效率相關(guān)要求。相關(guān)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)50米高度風(fēng)電可裝機(jī)容關(guān)系。此外，本文還特別強(qiáng)調(diào)了混合方法的應(yīng)用，即將定跟蹤條件下的輸出功率變化情況，這在一定范圍內(nèi)顯示了以 2019年趙敏在研究過程中具體分析了海上風(fēng)電系統(tǒng)的控制問題，且對風(fēng)力機(jī)、傳動系統(tǒng)等進(jìn)行一定建模研究，且根據(jù)控制要求而提出了機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，然后基于數(shù)學(xué)分析工具建立起仿真模型，遵循此理論框架進(jìn)行系統(tǒng)分析可得出接著仿真研究了風(fēng)速越變時機(jī)組的特征和性能影響因素，對所得結(jié)果進(jìn)行對比，而提出一種優(yōu)化的控制策略(陳明哲，何靜怡，2023)[22015年宋勝男具體分析了風(fēng)力機(jī)特性，然后對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕蠼⑵鹋c此相關(guān)的控制模型，接著分析長擾動觀察法、變步長擾動情況下的控制效果，且做了對比研究。且發(fā)現(xiàn)建立的最大功率跟蹤控制模型的尋優(yōu)速度顯著提高，而準(zhǔn)確性和效率也改善，所得結(jié)果的精確性高，可為此領(lǐng)域的研究提供支持(龔宇辰，丁博文，2021)3]。2014年馬啟蒙在研究過程中具體分析永磁同步風(fēng)電機(jī)的特征，且進(jìn)行一定優(yōu)化后提出相應(yīng)的最佳風(fēng)能跟蹤控制策略，進(jìn)行一定模擬分析而確定出最佳轉(zhuǎn)速值，所得結(jié)果有較高的參考價值(史俊豪，費澤楷，2021)[4]。通過以上文獻(xiàn)可以看出，這在某種程度上揭露目前各大學(xué)者對永磁式直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如何提高風(fēng)能利用率的研究一般采用最大功率跟蹤法來實現(xiàn)，并借助MATLAB仿真平臺搭建模型，然后再進(jìn)行不同參數(shù)的設(shè)定使系統(tǒng)更加快速穩(wěn)定運行，仿真分析確定出合理的結(jié)論。1.3此次課題研究內(nèi)容和技術(shù)路線1.3.1研究內(nèi)容本文分析了風(fēng)速明顯偏離額定風(fēng)速條件下，設(shè)置葉尖速比作為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，根據(jù)最大功率控制要求，而確定出最佳CP值，且進(jìn)行一定模擬分析，引入PI控制器進(jìn)行高效控制，從而確保在風(fēng)速明顯偏離條件下，風(fēng)能的捕獲率良好。最后并用MATLAB研究分析最佳葉尖速比控制參數(shù)，實現(xiàn)最大風(fēng)能跟是否或者入網(wǎng)，這就是風(fēng)力發(fā)電的工作過程(陳偉宸，李思茹，2022)5]。機(jī)艙(1)葉片：吸收風(fēng)能，在運行過程中其可以吸收空氣的動能且進(jìn)行轉(zhuǎn)換而驅(qū)動切關(guān)系。(2)變漿系統(tǒng)：其可以改變槳距角，鑒于前述分析表明這種情況下可使得在各(3)主軸：主軸在應(yīng)用過程中主要是承擔(dān)各種負(fù)載，此外其也可以傳遞軸向推力、氣動彎矩傳到塔架，為風(fēng)電機(jī)的持續(xù)平穩(wěn)運行提供支持，其設(shè)計安全性對整個(4)齒輪箱：齒輪箱在運行過程中可以起到傳遞動力的作用，其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)(5)發(fā)電機(jī)：其主要是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。轉(zhuǎn)子、變頻器相互連接，可供給可調(diào)頻率的電壓到轉(zhuǎn)子回路，在歷史與現(xiàn)實交匯處輸出的調(diào)整轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±30%范圍內(nèi)(李文博，王志遠(yuǎn)，2018)。(6)偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)在應(yīng)用過程中可進(jìn)行風(fēng)輪方向的調(diào)節(jié)，最大限度提升(7)輪轂系統(tǒng)：這種系統(tǒng)在其中的作用是固定葉片，且承受一定載荷，傳向風(fēng)中通過導(dǎo)線切割磁力線，在一定感應(yīng)基礎(chǔ)上進(jìn)行能量裝換而輸出電能(孫博楷，2021)。對比分析可知永磁發(fā)電機(jī)沒有設(shè)置繞組、滑環(huán)相關(guān)的結(jié)構(gòu)，因而可靠性于排除偶然因素的干擾，也能確保研究成果具有更高的可信定子：定子的結(jié)構(gòu)一般是固定的，具體分析可知其組成部件是：鐵心和繞組以及機(jī)座。定子線圈在運行過程中向其中通三相交流電，可實行一定勵磁作用。定子鐵心轉(zhuǎn)子：永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子的最大特點是：轉(zhuǎn)子上放置永磁體磁極，在應(yīng)用過程中其主要的作用是輸出恒定的磁場(付若冰，成啟航，2020)。從中可看出其變化轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，相應(yīng)的磁場也會不斷的旋轉(zhuǎn)，在此過程中繞組不斷的切割磁力線，這樣在一定的電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上就可形成一定幅度的交流電勢。2.2大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇此前，我國最常用的兩類發(fā)電機(jī)是：雙饋式、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。對比分可知二者各有一定適用范圍，這在一定程度上預(yù)示了而差異具體表現(xiàn)為是否設(shè)置齒輪箱。前一種風(fēng)電機(jī)中使用滑環(huán)和碳刷，這種情況下為滿足應(yīng)用要求需要設(shè)置多級齒輪箱。后一種類型的風(fēng)電機(jī)中，風(fēng)輪葉輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子發(fā)電，這種情況下可不設(shè)置齒輪箱而更從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)：由于海上的風(fēng)速大，在一些情況下會產(chǎn)生湍流問題，這會導(dǎo)致主軸偏移，產(chǎn)生很不利影響，如導(dǎo)致機(jī)組齒輪箱很容易損害，且導(dǎo)致一定的安全風(fēng)險。風(fēng)電機(jī)的尺寸非常大，一旦出現(xiàn)故障，相應(yīng)的維直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中沒有設(shè)置齒輪箱，這樣可大幅度降低維修成本7]。也為其運行和維護(hù)提供支持，因而直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)可更好的滿足應(yīng)用要求，在海上風(fēng)電機(jī)中應(yīng)用比例更高(繆天朗，盛月華，2018)。本文通過收集大量且細(xì)致的數(shù)據(jù)，對理論框架進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗和調(diào)整。這些數(shù)據(jù)不僅涵蓋了廣泛的研究對象，還跨越了多個時間段和社會環(huán)境，為理論框架的全面驗證提供了堅實的基礎(chǔ)。利用統(tǒng)計分析方法對量化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠有效檢驗原理論框架中的假設(shè)，并揭示其潛在的缺陷。未來的研究將考慮增加更多變量或擴(kuò)大樣本規(guī)模，以增強(qiáng)理論框架的解釋力和預(yù)測準(zhǔn)確性。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)可依據(jù)勵磁模式差異進(jìn)行劃分而分為勵磁、永磁發(fā)電機(jī)，對比分析可知二者的差異性表現(xiàn)為前者增加了勵磁裝置。后一種類型的則不設(shè)置勵磁磁場，這樣也不需要設(shè)置集電環(huán)，這在某種程度上昭示了而使得故障出現(xiàn)比例降低，也為維護(hù)和管理提供支持，可避免出現(xiàn)電刷易磨損等問題，更好的滿足可靠性要求，因而這模式的應(yīng)用比例更高。大功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，這在一定范圍內(nèi)顯示了在一定低速條件下，系統(tǒng)的性能更好，輸出功率則大幅度提高。因而本文研究時選擇永λ風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速W風(fēng)速V3.1貝茨(Betz)理論上世紀(jì)二十年代本茨研究過程中對風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片的我聽著進(jìn)行研究，且建立起其接收風(fēng)能的理論模型。對應(yīng)的基礎(chǔ)假定為風(fēng)輪是理想的，在運行過程中不會對氣流形成阻力，而氣流可壓縮，氣流速度垂直葉片，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”(陳澤和、許凌云、鄭向星，2023)。在資料收集中，本文利用了問卷分發(fā)、實地考察和參考前人研究成果等多元途徑，試圖從多個層面積累豐富的原始數(shù)據(jù)。經(jīng)由對這些資料的科學(xué)整理與分析，本文證實了最初的假設(shè)并找到了數(shù)據(jù)中的邏輯線索。盡管如此，本文也看到了當(dāng)前研究的不足之處，希望將來能在樣本擴(kuò)展、方法革新和理論完善等s的氣體的體積為V,這種條件下可確定出V=Sv。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果可推斷如果以p表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量m=psv,此時p的單位是kg/m3;V的單位是m3;v的單位是m/s;T的單位是W。志強(qiáng)，何偉明，2020)。式中psv—一空氣質(zhì)量由此可判斷出風(fēng)作用力F和風(fēng)輪輸出的功率P對應(yīng)的表達(dá)式為(王悅婷，魏嘉風(fēng)速V?是給定的，P的大小取決于V?,P是V?的函數(shù)，對P微分求最大值得令其等于0,求解方程得16/27=0.593,Cp稱作貝茨功率系數(shù)正是風(fēng)速為V?的風(fēng)能T,故根據(jù)理分析結(jié)果且參考經(jīng)驗而確定出此系數(shù)最大值為0.593。研究發(fā)現(xiàn)此指標(biāo)和葉尖速比和槳葉節(jié)距角存在密切關(guān)系，可進(jìn)行一定理論分析而確定出(吳俊杰，林婉速比的函數(shù)，可以據(jù)此來對風(fēng)力機(jī)性能進(jìn)行分析，確定出其影響因素和變化情況(鐘陽陽，孫萱，2020)。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性系數(shù)(1)風(fēng)能利用系數(shù)Cp風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù)Cp表示(2)葉尖速比λ這在一定程度上預(yù)示了此參數(shù)具體表現(xiàn)為各風(fēng)速條件下葉片的葉尖圓周速度與如圖5所示，對一個風(fēng)機(jī)而言，在運行過程中，槳距角和高水平，可更好的利用風(fēng)能。這在某種程度上昭示了風(fēng)機(jī)線速度和風(fēng)速的比值處于固定水平，這在一定范圍內(nèi)顯示了也就是滿足λ=λ便可維持風(fēng)力機(jī)在Cpmax狀態(tài)下運行，這樣即可實現(xiàn)最優(yōu)化控制目的，而使得其輸出處于(3)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cr和推力系數(shù)C4利用MATLAB/Simulink對最佳葉尖速比控制參數(shù)的仿真4.1MATLAB簡介MATLAB是一種功能強(qiáng)大應(yīng)用范圍廣的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，其目前在很多領(lǐng)域都獲得應(yīng)用，如算法開發(fā)、模擬仿真，優(yōu)化研究中都廣泛的應(yīng)用。Simulink時這種軟件中的可視化仿真工具，在應(yīng)用過程中可將所得結(jié)果進(jìn)行圖像化輸出，更好的滿足應(yīng)用要求。這在某種程度上揭露它支持系統(tǒng)設(shè)計、仿真、系統(tǒng)測試，因而為系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用提供很多便利，可很好的滿足應(yīng)用要求。這種軟件中設(shè)置了模塊庫以及求解器，在應(yīng)用過程中可方便的進(jìn)行建模和仿真，表現(xiàn)出較高的在Simulink中將MATLAB算法融入，且進(jìn)行進(jìn)行圖形化結(jié)果的分析討論。Simulink應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、航空、工業(yè)自動化、大型建模、復(fù)雜邏輯、物理邏輯，信號處理等方面4.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型PI控制器具有比例、積分調(diào)節(jié)作用，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果可推斷在實際的應(yīng)用過程中前一種主要是基于一定的比例不斷的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的偏差，在運行工作中系統(tǒng)出現(xiàn)偏差情況下，則其會產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用而適當(dāng)?shù)慕档拖到y(tǒng)偏差(姚浩宇，孫夢瑤，2022)。更好的滿足運行要求。積分調(diào)節(jié)作用可去除穩(wěn)態(tài)誤差，本文在研究過程中對比分析而選擇了PI控制技術(shù)，這種模式下不斷的跟隨參考輸出功率，根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)而進(jìn)行功率調(diào)節(jié)實現(xiàn)優(yōu)化運行目的。通過選取合適的PI參數(shù)，既可以顯著的提高追蹤效果，更好的滿足運行要求，也為系統(tǒng)目標(biāo)實現(xiàn)提供支持。仿真模型的參數(shù)為：1.5KW永磁式直驅(qū)型設(shè)計參數(shù)名稱單位參考值額定功率葉片直徑M2定子相電阻電樞電感H磁鏈電壓V槳距角o0極對數(shù)葉尖速比84.2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型建立合驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電要求；發(fā)電機(jī)模型在應(yīng)用過程中主要是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使得機(jī)械圖9風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型圖①①4.2.2輸出功率追蹤控制模型的建立采用PI控制技術(shù)來設(shè)計，在歷史與現(xiàn)實交匯處在運行過程中輸入轉(zhuǎn)速n,參考功式中為最大風(fēng)能利用系數(shù)，本文C為0.476;P為空氣密度，通過以上的表達(dá)最佳輸出功率[101。PI進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，且對功率的變化進(jìn)行對比分析，觀察功率的追11一SS++①時，最佳轉(zhuǎn)速為2.09rad/s,最大的輸出為4.84×10?w;當(dāng)風(fēng)速在0.2S時，由8m/s突106w11]。如圖13、14所示(周怡萱，孫雅琪，2020)在處于額定風(fēng)速時，風(fēng)能捕獲率也處于最佳，但在高于或者低于額定風(fēng)速時，要想風(fēng)能捕獲率仍然處于最佳狀態(tài)，從中可看出其變化就得有調(diào)節(jié)器的介入，通過給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，對風(fēng)能的輸出進(jìn)行控制，使其實現(xiàn)最佳風(fēng)能的捕獲率，通過仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)這種控制明模型可滿足要求，取得良好的效果，具體如圖15所示。5總結(jié)與展望本文針對1.5KW永磁式直驅(qū)風(fēng)電機(jī)進(jìn)行研究，確定出適當(dāng)?shù)目刂颇Ｐ投岣唢L(fēng)能利用率，更好的滿足風(fēng)力發(fā)電要求，設(shè)置的控制參數(shù)為最佳葉尖速比。在研究過程中先論述了目前風(fēng)力發(fā)電的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，對此領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行分析，接著重點研究和了永磁式直驅(qū)風(fēng)電機(jī)的原理和特征，繪制出本文的研究路線。建立起這種風(fēng)電機(jī)的數(shù)學(xué)建模，然后通過Simulink建立起平臺進(jìn)行仿真分析，在仿真時引入了PI控制器而進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，且通過圖形方式顯示出追蹤效果，根據(jù)