目錄TOC\o"1-3"\h\u14933第1 591671.1 533391.1.1 57801.1.2 5255611.1.3 6125931.2 644461.2.1 645911.2.2 10327401.2.3 1011835第2 1394702.1 13153722.2 13171032.2.1 13207222.2.2 15278272.3 17324192.3.1 17128452.3.2 18206532.3.3 19108192.4 2074022.4.1 20109262.4.2 22257092.4.3 2244812.4.4 2312544第3 27320673.1 27315963.2 27282943.3 38187223.3.1 38264983.3.2 38255933.3.3 423193.4 4525889第4 46274694.1 46216344.2 46128404.3 46266434.3.1 46188624.3.2 4728034.3.3 5011104.3.4 55210654.3.5直流— 5594784.3.6 57302714.4 58268114.4.1 58224024.4.2 5936874.4.3 6277394.4.4 6222182第5 6595665.1 655745.2 65157955.2.1 65198495.2.2 65281825.2.3 6761975.2.4 67170805.3 6792155.3.1 6729215.3.2 69272235.3.3 70105515.3.4 77184455.3.5 8019930（續(xù) 81305815.4 81255525.4.1 81216725.4.2 8319480第6 9012256.1 90181486.2 9083126.2.1 90181106.2.2 93171146.2.3 99107366.2.4 104107166.2.5 105297566.3 107147516.3.1 107130826.3.2 10810706.4 113187096.4.1 113163596.4.2 1132666.4.3 11310824第7 11441727.1 1145057.1.1 11499797.1.2 114231117.1.3 115266487.2 117234157.2.1 117120507.2.2 117242077.2.3 118304317.3 11921847.3.1 11958707.3.2 120266397.3.3 121277467.3.4 122292377.4 123313607.4.1 123240067.4.2 12490147.4.3 12866767.5 130248617.5.1 130177977.5.2WES 13030323第8 134269168.1 134247858.1.1 134107438.1.2 13481128.1.3 13426105圖8-4100MW 13830638.1.4 13886728.2 138125908.2.1 13856578.2.2 138238148.2.32020 13823714 14083附錄A 1403749附錄B 1415294表B-1 14122533（續(xù) 1425210 143第1表1-1從圖11中可以看出，在世界范圍內(nèi)煤炭、石油和天然氣等化石能源仍然是主要的發(fā)電用能源（65），核能（16）和水能（17）乎相同的份額緊隨其后，占總量2的可再生能源主要包括風(fēng)能、生物質(zhì)能和太陽(yáng)能。在圖11中，目前開(kāi)發(fā)程度最高的可再生能源——水力發(fā)電被單獨(dú)列出，所以可再生能源的比例才顯得相對(duì)較少04。圖1-1世界凈發(fā)電量（2004年a）世界各地分布及電力來(lái)源b）歐洲陸上風(fēng)電場(chǎng)（按照年平均風(fēng)速5.5，每年1700h滿功率輸出，按照最佳效率為45計(jì)算）的單位風(fēng)輪掃略面積的年電能輸出為800～1000kh（2）。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的比發(fā)電量例如德國(guó)北部為700～900khkp。假設(shè)每52的光伏電池能夠提供1k的峰值功率，那么相應(yīng)的單位光伏發(fā)電面積的能量產(chǎn)出為160k（2）和燃?xì)庀啾容^時(shí)，所報(bào)道的數(shù)量是相對(duì)較低的，而顯而易見(jiàn)的用一個(gè)相當(dāng)?shù)膯挝幻娣e比較是不可取的。圖1-2已安裝的風(fēng)能發(fā)電功率和年發(fā)電量（2002年a）裝機(jī)容量（單位：TWh）b）電能輸出（世界范圍內(nèi)地區(qū)的風(fēng)電總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中可以明顯看出，歐洲在風(fēng)能利用領(lǐng)域走在了全世界的前沿，以76首。北美洲近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電也發(fā)展迅猛，截止2002底占據(jù)了16的份額。11GW。2007年，全世界新增裝機(jī)容量約為20GW[GWEC，08update]，到2007年底，世界風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)到了94GW56.5，美國(guó)擁有16.8。從20世紀(jì)80千瓦時(shí)的成本顯著降低。這些進(jìn)步來(lái)源自結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)采用、葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的完善、電力電子技術(shù)和變速技術(shù)的大量采用07，這一切都使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為發(fā)展速度最快的綠色技術(shù)。圖1307列出了世界上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量最大的10長(zhǎng)趨勢(shì)也都十分可觀。除了這些國(guó)家和地區(qū)的情況外，參考文獻(xiàn)06列出了國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（）27個(gè)成員國(guó)2006年的風(fēng)能發(fā)展報(bào)告。圖1-3前10個(gè)國(guó)家和地區(qū)裝機(jī)容量和2006表12列出了2006年各個(gè)歐洲國(guó)家的新增裝機(jī)容量和截止到2006年年底的累計(jì)風(fēng)電總裝機(jī)容量，從中可以看出，德國(guó)仍然居于歐洲各國(guó)年風(fēng)電新增裝機(jī)容量和截止到2006年年底累計(jì)風(fēng)電總裝機(jī)容量之首，西班牙次之，丹麥則是人均風(fēng)能發(fā)電量最大的國(guó)家。參考文獻(xiàn)還列舉了歐盟15國(guó)、歐盟25國(guó)和整個(gè)歐洲的風(fēng)電總裝機(jī)容量。表1-22006年歐洲新增裝機(jī)容量和截止到2006年年底的累計(jì)風(fēng)電總裝機(jī)容量（圖1-4來(lái)自于歐洲風(fēng)能并網(wǎng)研究組織（EWIS）2007年1月的調(diào)查報(bào)告[EWIS07]，該報(bào)告也再次確認(rèn)了歐盟風(fēng)電裝機(jī)集中于10圖1-4單看德國(guó)的情況，根據(jù)2007年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，德國(guó)全年用電量的14.8由可再生能源提供，其中風(fēng)能是最主要的能源，約占可再生能源的一半（7.2）。由于風(fēng)能資源分布的不均衡性，風(fēng)力發(fā)電量也呈現(xiàn)出地區(qū)性的不均衡性。在德國(guó)北部沿海地區(qū)，在用電量的低谷時(shí)間內(nèi)，風(fēng)能發(fā)電量甚至?xí)^(guò)當(dāng)?shù)氐乃心茉葱枨罅俊Ｒ虼孙L(fēng)電的應(yīng)用需要建立強(qiáng)大的高壓輸電網(wǎng)，將局部電網(wǎng)中的過(guò)剩電能輸送到工業(yè)密集地區(qū)的耗能中心。德國(guó)已經(jīng)計(jì)劃在2020年前建成一條1050k均衡分布造成的儲(chǔ)能問(wèn)題，也是制約風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要難題。風(fēng)輪機(jī)的發(fā)展還體現(xiàn)在單機(jī)容量的增加上。圖15給出了德國(guó)1987～2007年的單機(jī)容量nd08，目前平均單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了1800k商已經(jīng)可以大批量提供2.3～3的機(jī)組?？紤]到未來(lái)修建的適用大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，未來(lái)的平均單機(jī)容量還會(huì)大大增加。目前最大容量的實(shí)驗(yàn)機(jī)組已經(jīng)達(dá)到了5的容量。圖1-5歐洲對(duì)于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的支持是非常到位的，從成員國(guó)到歐盟都有相應(yīng)的支持政策，根據(jù)2001（772001）。到2010年，歐洲境內(nèi)能源的21確保每個(gè)成員國(guó)都支持發(fā)展可再生能源。具體行政引導(dǎo)手段由成員國(guó)自定，方法多種多樣，比如保護(hù)上網(wǎng)的可再生電能的電價(jià)、固定補(bǔ)貼價(jià)格、可交易綠色憑證系統(tǒng)、稅賦抵減、稅收優(yōu)惠等。圖1-6[ISI06]描述了歐盟25（PTC）來(lái)實(shí)施的[AWEA]圖1-6歐盟25國(guó)可再生能源支持體系①此處原書(shū)為“SL”為塞拉利昂簡(jiǎn)稱(chēng)，有誤，此處似應(yīng)為斯洛伐克?！聡?guó)在1999年頒布了《可再生能源法》04，并且實(shí)行了統(tǒng)一電價(jià)制度。2009年1海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的重要性。該法規(guī)保證了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商可以以保護(hù)價(jià)格把滿足電能質(zhì)量要求的所有電能都賣(mài)到電網(wǎng)上，該法規(guī)還包括了對(duì)其他可再生能源的資助和管理辦法，如制定了隨著設(shè)備服役年限延長(zhǎng)而遞減的保護(hù)性參考電價(jià)。保護(hù)電價(jià)和傳統(tǒng)化石能源發(fā)電價(jià)格的差額將轉(zhuǎn)給終端消費(fèi)者。該法律的制定是各方長(zhǎng)時(shí)間討論和妥協(xié)的結(jié)果，它代表了現(xiàn)在各方都能接受的一個(gè)價(jià)格框架協(xié)議，并且會(huì)作為未來(lái)可再生能源支持工作的基礎(chǔ)。[1]此處原書(shū)為歐盟25國(guó)，但以圖來(lái)看應(yīng)為歐盟27國(guó)實(shí)際情況?！?風(fēng)車(chē)的歷史可以追溯至2000年前，早期的風(fēng)車(chē)主要用來(lái)磨制谷類(lèi)和汲水。在17世紀(jì)和18世紀(jì)近代風(fēng)車(chē)重要的代表——荷蘭風(fēng)車(chē)以不同的形式出現(xiàn)，并在歐洲被大量建造。n是19世紀(jì)風(fēng)車(chē)另一種典型的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于鄉(xiāng)村地區(qū)，在美國(guó)至今仍有應(yīng)用?，F(xiàn)代的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器發(fā)展起步于20世紀(jì)20年代，但直到80年代人們才對(duì)它進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究，其在可再生能源方面有著重要應(yīng)用。由下式可知，來(lái)自于以速度v1通過(guò)截面積A假定流動(dòng)著的空氣為均勻介質(zhì)，到達(dá)風(fēng)輪面之前速度為1，通過(guò)風(fēng)輪后由于部分能量轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的動(dòng)能而速度降為3（見(jiàn)圖21）。簡(jiǎn)化理論計(jì)算，認(rèn)為在風(fēng)輪面內(nèi)氣流平均速度為2（13）2。根據(jù)這些，26經(jīng)過(guò)計(jì)算指出當(dāng)3113時(shí)，風(fēng)力機(jī)可獲得最大有效功，此時(shí)功率系數(shù)p16270.59。實(shí)際上，由于損耗（翼剖面損耗、葉尖損耗和尾流效應(yīng)損耗），風(fēng)力機(jī)的最大功率系數(shù)為p，x0.4～0.5。為了保證可以傳遞到負(fù)載端（發(fā)電機(jī)、泵）的有效機(jī)械功，考慮到軸承、聯(lián)軸器和變速器處的能量損耗，式（22）中要乘以機(jī)械傳動(dòng)系的效率進(jìn)行修正。圖2-1風(fēng)輪理想流體模型 由此可知，轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的二次方（v2）成正比，能量與風(fēng)速的三次方（v3 圖2-2圖2-3注意，這兩個(gè)分力分別垂直、平行于氣流方向。系數(shù)和表示了給定葉片輪廓的特征，取決于攻角。將圖24中的范例應(yīng)用于實(shí)際的非對(duì)稱(chēng)輪廓h56，對(duì)于小的值（010），可以得到近似的比例關(guān)系為（5.1～5.8），而在此區(qū)間內(nèi)相對(duì)較小。稱(chēng)比值為升阻比。圖2-4特定翼剖面下升力系數(shù)cA（α）和阻力系數(shù)cW（α）當(dāng)風(fēng)輪以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片上距離旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪軸線處的圓周切向速度為u（r）r。根據(jù)理論，風(fēng)輪平面處的軸向風(fēng)速為2上風(fēng)向風(fēng)速1的23。切向速度和軸向速度的矢量合成為該點(diǎn)處的相對(duì)風(fēng)速（），（）與風(fēng)輪平面之間成角，如圖25所示。升力和阻力的微元變量d和dW全都作用于該點(diǎn)附近的葉片面積（d）內(nèi)，則力分解得到的切向力d和軸向力da分別為圖2-5對(duì)于一個(gè)給定葉片角的風(fēng)輪，圖2-6[Gas07]給出了其cP（λ）和cT（λ）曲線，從而可知該風(fēng)輪的設(shè)計(jì)最優(yōu)葉尖轉(zhuǎn)速比為λA=6.5圖2-6三葉片風(fēng)輪功率系數(shù)cP（λ）和轉(zhuǎn)矩系數(shù)cT（λ）圖2-7阻力系數(shù)cS（λ）式中，1是在參考高度1的水平層流風(fēng)速；z0農(nóng)田，0取值0.03，如果周?chē)窍∈璧臉?shù)林和灌木叢，0取值0.1，如果周?chē)植贾艿纳?，z0取值0.5～1.6。本書(shū)的2.4.4節(jié)中，在評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參考捕獲能量時(shí)也使用了式（29）。圖2-8a）直方圖b）韋伯函數(shù)近似表示（瑞利函數(shù)，其中圖2-9風(fēng)力機(jī)能捕獲的功率與風(fēng)力機(jī)的葉尖轉(zhuǎn)速比相關(guān)（見(jiàn)圖23），因此風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速和葉輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了捕獲功率的瞬時(shí)值。圖210槳風(fēng)力機(jī)典型功率和輪轂轉(zhuǎn)矩曲線圖，圖中縱坐標(biāo)已經(jīng)歸一化，表示的是與參考功率和轉(zhuǎn)距的比值，以風(fēng)速為參數(shù)。該示例中的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為12，當(dāng)風(fēng)速8時(shí)，葉尖轉(zhuǎn)速比為最優(yōu)值，即op。曲線族的最大功率點(diǎn)被標(biāo)識(shí)出，最大功率曲線與風(fēng)速成3次方關(guān)系。圖210中橫縱坐標(biāo)都取1.0的點(diǎn)即為功率轉(zhuǎn)矩額定圖2-10vN=12m/s圖210中的曲線族是根據(jù)圖26中c（）曲線推導(dǎo)而來(lái)的，其中6.5，，0.52。選擇額定風(fēng)速12，最優(yōu)在8時(shí)能夠得到。根據(jù)式（213），在額定工況下的葉尖轉(zhuǎn)速比（），即4.5，相應(yīng)的，0.448。角。隨著槳距角的增大，功率系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的峰值都會(huì)減小，并且峰值也趨向于出現(xiàn)在較小的值上。隨之出現(xiàn)的還有變大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、顯著降低的阻力系數(shù)等。根據(jù)圖26的風(fēng)力機(jī)數(shù)據(jù)推算出的變槳風(fēng)力機(jī)性能曲線如圖211所示。圖2-11為了保證風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速下不會(huì)過(guò)載，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過(guò)預(yù)設(shè)的額定值后，風(fēng)力機(jī)必須限制自己捕獲的能量。像n這種簡(jiǎn)單的風(fēng)力機(jī)采用的辦法是給風(fēng)輪一個(gè)偏航角，讓風(fēng)輪不再正對(duì)風(fēng)向，因而減小了風(fēng)輪的掃略面積，也就減少了風(fēng)力機(jī)捕獲的能量。對(duì)于沒(méi)有變槳裝置的定槳風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，失速效應(yīng)是一種被廣泛用來(lái)限制捕獲能量的機(jī)制。圖212描述了失速效應(yīng)當(dāng)中空氣由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，進(jìn)而損失了升力，因此降低了捕獲能量。圖212中是攻角，它是氣流方向與葉片翼弦平面之間的夾角（見(jiàn)圖24），是葉片翼弦平面與風(fēng)輪平面之間的夾角。圖2-12葉片層流/這種失速調(diào)速機(jī)制的一個(gè)變種叫做主動(dòng)失速，使用該方法的風(fēng)力機(jī)一旦檢測(cè)到風(fēng)輪運(yùn)行超速，就會(huì)自主將葉片變至一個(gè)失速位置。圖213大量湍流，變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)則盡量避免大范圍湍流的產(chǎn)生。圖2-13（）制定的標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上被廣為使用，見(jiàn)表2計(jì)了。根據(jù)的風(fēng)級(jí)分類(lèi)，同樣額定功率的風(fēng)力機(jī)，適用風(fēng)級(jí)高的（風(fēng)級(jí)數(shù)字越高，風(fēng)速越低），風(fēng)輪直徑越大，輪轂高度也相應(yīng)的更大。表21列出了不同風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)的輪轂中心處水平風(fēng)速平均值和50年一遇的周期為10的最強(qiáng)陣風(fēng)。表2-1IEC風(fēng)級(jí)（對(duì)于任何風(fēng)力發(fā)電設(shè)備來(lái)說(shuō)，功率曲線都是最重要的特性。功率—風(fēng)速曲線和風(fēng)速—概率分布曲線如（瑞利分布）都是用來(lái)估算風(fēng)力發(fā)電設(shè)備年發(fā)電量必不可少的數(shù)據(jù)。圖214是典型的風(fēng)力機(jī)功率曲線，實(shí)線表示的是失速調(diào)速型風(fēng)力機(jī)，虛線表示的是變槳調(diào)速型風(fēng)力機(jī)。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)的理想工作狀態(tài)是以最大功率系數(shù)c來(lái)跟隨總功率曲線（風(fēng)速的3次方）。只有當(dāng)風(fēng)速高于取值大約為3～4s風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)才會(huì)發(fā)電。圖2-14最優(yōu)工作點(diǎn)，包括該點(diǎn)的風(fēng)速vopt和葉尖轉(zhuǎn)速比λopt實(shí)際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線大都是在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中測(cè)量出來(lái)的。風(fēng)力機(jī)在切入和切出風(fēng)速之間運(yùn)行，把它的有功功率和功率系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系記錄下來(lái)繪制成圖表，這就是測(cè)量的結(jié)果了。圖216是一臺(tái)額定功率為1.8，額定風(fēng)速為14s的風(fēng)力機(jī)的實(shí)測(cè)曲線。測(cè)量裝置如圖15所示。圖217、圖21給出了一些風(fēng)力機(jī)的捕獲功率密度07，其中風(fēng)力機(jī)僅包括850kW以上的大型風(fēng)力機(jī)。圖21的關(guān)系、額定轉(zhuǎn)速與額定功率的關(guān)系。通過(guò)這些數(shù)據(jù)歸納出的趨勢(shì)線可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)風(fēng)力機(jī)的捕獲功率密度集中在0.35～0.45k2來(lái)的趨勢(shì)是越來(lái)越大。圖218右側(cè)圖的數(shù)據(jù)是一些2風(fēng)力機(jī)的年參考捕獲能量與輪轂高度的關(guān)系圖。由圖中趨勢(shì)線可以看到，實(shí)際年均捕獲參考能量多分布在900～1100（kha）2。如此大的數(shù)據(jù)離散性是因?yàn)橛械娘L(fēng)力機(jī)是設(shè)計(jì)在高風(fēng)速下工作的，有的則是在低風(fēng)速下工作的。圖2-15圖2-161.8MW平均發(fā)電量。假定風(fēng)速分布規(guī)律滿足瑞利分布，風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)功率系數(shù)為0.46，圖219給出的是相對(duì)年平均滿負(fù)載能量輸出曲線07考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)留出的裕量，真正工作時(shí)額定風(fēng)速與平均風(fēng)速之比在1.5～2。那么從圖219中可以知道，年平均輸出能量的效率在20～35%。圖2-17850kW圖2-18大于850kW的風(fēng)電系統(tǒng)的比功率和2MW圖2-19德國(guó)的“可再生能源法提供了風(fēng)力機(jī)的年平均輸出能量參考值04，該參考值的參數(shù)如下：在離地面30高處，風(fēng)速符合瑞利分布，平均風(fēng)速為5.5s，使用對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)描述風(fēng)切效應(yīng)，地面粗糙度特征長(zhǎng)度為0.1。在這個(gè)參考條件下，讓待評(píng)估的風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)5出能量，風(fēng)力機(jī)必須能夠捕獲參考能量（即根據(jù)風(fēng)速概率分布和風(fēng)力機(jī)尺寸計(jì)算出來(lái)的理論捕獲能量）的60%以上，上網(wǎng)風(fēng)電才能享受保護(hù)價(jià)格。月平均輸出能量則根據(jù)月份不同，波動(dòng)極大。根據(jù)奧地利一個(gè)組織的調(diào)查數(shù)據(jù)，德國(guó)和奧地利的一些風(fēng)電場(chǎng)在2002～2005能量不僅在不同月不同，在不同年的同樣月差別也極大，如圖220所示。但在測(cè)量這個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)也在不停地更新風(fēng)力機(jī)。新式的風(fēng)力機(jī)擁有更高的效率，因此也改變了月平均輸出能量，這也是數(shù)據(jù)波動(dòng)的一個(gè)重要原因。圖2-20德國(guó)與奧地利的月比能量kWh/m2第3電機(jī)可以分為直流電機(jī)、異步交流電機(jī)和同步交流電機(jī)三大類(lèi)，其中直流電機(jī)由于自身固有的維修保養(yǎng)費(fèi)用高昂、功率用高壓繞組等缺點(diǎn)，除特殊場(chǎng)合外，已經(jīng)不再作為發(fā)電機(jī)使用。與此相比，不管是同步交流電機(jī)還是異步交流電機(jī)都被廣泛的作為發(fā)電機(jī)使用。感應(yīng)電機(jī)是異步電機(jī)中的一種，它在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中普遍應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中只有一個(gè)通電，通常情況下負(fù)載線圈由三相繞組構(gòu)成。圖31給出的是一個(gè)三相感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖。該電機(jī)定子繞組采用星形聯(lián)結(jié)，、和端分別連接三相交流電源的1、2和3。圖3所示的轉(zhuǎn)子繞組也采用了三相繞組，轉(zhuǎn)子繞組的、和端全部連接到集電環(huán)上。通過(guò)集電環(huán)和電刷，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流也可以被輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組被短路時(shí)，圖31所示的感應(yīng)電機(jī)就變成了籠型感應(yīng)電機(jī)。因此本章中也使用這種等效電路圖來(lái)表示籠型感應(yīng)電機(jī)，但是請(qǐng)讀者注意，由于轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同，籠型感應(yīng)電機(jī)和圖示結(jié)構(gòu)的雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位移電流特性并不相同。圖3-1圖32所示的是繞線轉(zhuǎn)子式異步電機(jī)的形等效電路圖，該模型繞組每相有兩匝繞圈構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)集電環(huán)和電刷與外部電路相連。該模型也可以視為一種特殊的變壓器模型，因?yàn)槌跫?jí)繞組（定子）通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)與次級(jí)繞組（轉(zhuǎn)子）耦合。初級(jí)繞組的輸入電壓為1率為1。把次級(jí)繞組的所有參量都通過(guò)變壓器變比和兩極電流頻率比12換算得來(lái)，其中，1是定子頻率，2代表籠型異步電機(jī)時(shí)，圖中所示的次級(jí)電路短接，2應(yīng)該等于0。圖3-2繞線轉(zhuǎn)子式異步電機(jī)的T圖3-3并網(wǎng)異步電機(jī)的TR1R′2=k2R211和′2′2分別是初級(jí)繞組磁感應(yīng)系數(shù)和次級(jí)繞組磁感應(yīng)系數(shù)，其中1和′222則分別是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的漏磁磁感應(yīng)系數(shù)。式中，zp是電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；Ωsyn前面所述的形模型是個(gè)很經(jīng)典的傳統(tǒng)模型，為了細(xì)化這個(gè)模型，使其描述更精確，可以引入各種修正參數(shù)。圖34阻e來(lái)代表負(fù)載無(wú)關(guān)損耗的修正模型。其中電阻與磁化電抗并聯(lián)的模型是一種可行的模擬渦流損耗的方法，而且這是惟一可行的模擬磁滯損耗的方法。另一種簡(jiǎn)單的模擬恒定損耗的模型修正方法是在電機(jī)定子輸入端并聯(lián)一個(gè)電阻p，（摩擦損耗，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)造成的空氣動(dòng)力損耗和電機(jī)鐵損。）如圖34b所示。圖3-4Ta）常規(guī)鐵損電阻RFeb）電阻Rp如果電機(jī)的端電壓情況已知，例如定子連入電網(wǎng)（恒定）或者由電壓源逆變器（端電壓可以通過(guò)逆變器的輸入和其他參數(shù)來(lái)推算）來(lái)供電，那么式（32）也可以用來(lái)求解電流。如果已知1（11）1成立，那么式（32）中的定子繞組電阻1就可以忽略不計(jì)，并且可以化簡(jiǎn)為以下的兩種形式：以轉(zhuǎn)差率s為自變量，短路電抗Xk和極限轉(zhuǎn)差率sk以轉(zhuǎn)子頻率為自變量，以轉(zhuǎn)子短路時(shí)間常數(shù)τk2和無(wú)負(fù)載時(shí)間常數(shù)τ02因而磁鏈Ψ1=U1/ω1保持不變。在這種條件下，定子電流和轉(zhuǎn)矩僅僅取決于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，圖3-5（ω2τk2）進(jìn)行了歸一化。從圖3-5中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子頻率ω2=1/τk2時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩正好是極限轉(zhuǎn)矩Tk圖3-5把定子電流的穩(wěn)態(tài)根軌跡畫(huà)在復(fù)平面當(dāng)中，圖32所示的次級(jí)繞組短接的等效電路的電流根軌跡正好是一個(gè)圓如圖36a所示1軌跡圖也叫做nn圖，圖中的圓可以通過(guò)以下3個(gè)點(diǎn)來(lái)定義：P0是無(wú)負(fù)載工況點(diǎn)。在該工況下，轉(zhuǎn)差率s=0，電流矢量I0根軌跡圓的直徑為0，圓心的實(shí)部則略微大于0。在nn圖（或者ynd圖）中，上半平面的點(diǎn)代表電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，下半平面的點(diǎn)則代表電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，右半平面的點(diǎn)代表消耗無(wú)功功率。點(diǎn)表示的是電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式額定工況下，電流矢量與端電壓矢量1之間有的相位差。與此相對(duì)，電流矢量表示的是電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式下的額定電流，電流矢量端點(diǎn)如圖36中所示。圖3-6a）電流根軌跡（Ossanna循環(huán)圖）b）矢量圖（發(fā)電機(jī)狀態(tài)點(diǎn)都代表定子電流為復(fù)數(shù)時(shí)的工況點(diǎn)。圖中的線段1是圓的一條直徑，由點(diǎn)0和圓心確定；線段2代表了定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙功率和轉(zhuǎn)矩為0的工況點(diǎn)；線段3代表的是無(wú)機(jī)械功率工況。這時(shí)假定所有的摩擦都不計(jì)，甚至忽略轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起空氣流動(dòng)的能量。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于圖36 式中，2′就是轉(zhuǎn)子繞組的阻抗，而另外一部分阻抗則是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)。這個(gè)依賴(lài)于轉(zhuǎn)差率的阻抗成分叫做有效阻抗，當(dāng)01抗為正數(shù)；當(dāng)10時(shí)，有效阻抗為負(fù)數(shù)。圖36b中已經(jīng)給出了這種有效電阻的正負(fù)變化：見(jiàn)電壓矢量，當(dāng)電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，繞組電阻引起的壓降和轉(zhuǎn)矩引起的壓降方向相反。圖3-7a）性能特性b）式中，u13121，代表三相電機(jī)的定子銅損；u2代表轉(zhuǎn)子繞組的焦耳熱損耗；是定子和轉(zhuǎn)子之間通過(guò)氣隙傳遞的電磁功率；e、dd和分別是鐵損、摩擦損耗和轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力損耗。上面討論的損耗功率和總功率的關(guān)系可以通過(guò)圖38所示的nky圖來(lái)表示。圖38表示電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，圖38b則表示電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式。在所有的損耗功率當(dāng)中，u1、u2和dd是與負(fù)載有關(guān)的損耗，和則是與負(fù)載無(wú)關(guān)的損耗。正如式（311）所描述的那樣，只要討論的電機(jī)還是同一個(gè)，這些負(fù)載無(wú)關(guān)損耗就不變。圖38所示的nky圖中，為了便于理解，這里選擇了電動(dòng)機(jī)工況作為參照，它與發(fā)電機(jī)工況的區(qū)別是，這里的和h都是正數(shù)（發(fā)電機(jī)工況下，兩者都是負(fù)數(shù)）。所有的損耗功率都是正數(shù)。圖3-8異步電機(jī)的Sankeya）b）參考值的比值。如圖37所示，橫縱坐標(biāo)表示的是電流和轉(zhuǎn)矩，但是并沒(méi)有使用電流和轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值來(lái)給坐標(biāo)軸標(biāo)定數(shù)字。在圖37中，橫縱坐定電流和轉(zhuǎn)矩作為參考數(shù)值的做法也是業(yè)界普遍做法。2.3.3額定工況下的磁通量ΨN和額定電感LN通常歸一化的變量使用小寫(xiě)字母來(lái)表示，如電阻R1引起的阻性阻抗經(jīng)過(guò)歸一化后表示為r1，短路電抗引起的歸一化壓降表示為xk式中，Tk=3zI2L（1-p1p1由于考慮了主磁場(chǎng)飽和效應(yīng)，那么這時(shí)主磁場(chǎng)磁通Ψ（）就不再是磁化電流的線性函數(shù)了。又因?yàn)棣?，所以可以認(rèn)為（）是一個(gè)關(guān)于的非線性函數(shù)，因此式（312）和式（313）也就都考慮了主磁場(chǎng)飽和效應(yīng)了。圖3-9Q=3U21ω1C（3-圖3-10a）b）圖311中的電壓曲線與電流成非線性關(guān)系，這個(gè)非線性曲線使得電機(jī)自激運(yùn)行成為可能。下面比較一下圖31中的感應(yīng)電壓u（）曲線和圖39中的曲線。圖31中的感應(yīng)電壓曲線u，08（）表示的是當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，感應(yīng)電壓的值，曲線u（c）則是定子并聯(lián)的電容端電壓。從圖311中可以看到，u和uc曲線是相交的（交點(diǎn)坐標(biāo)還被用來(lái)定義歸一化坐標(biāo)），況。因此，通過(guò)選擇合適的電容值，可以讓異步電機(jī)工作在自激模式下，即。回顧一下異步電機(jī)的自激起動(dòng)過(guò)程，在開(kāi)始的一瞬間，還是需要一個(gè)磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)的，所以異步電機(jī)即使工作在自激模式下，其內(nèi)部也是存在一個(gè)小的剩磁場(chǎng)的。再回到圖311中，假如電容值保持不變，但是轉(zhuǎn)速降低為額定轉(zhuǎn)速的80%，那么此時(shí)u直線和u，08曲線不再相交，也就是說(shuō)這時(shí)異步電機(jī)沒(méi)有穩(wěn)定的自激工作點(diǎn)；同樣的，假如電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，但是電容值降低為先前的80%，那么也能見(jiàn)到u，08直線和u曲線不再相交，即電機(jī)也無(wú)法自激運(yùn)行。綜上所述，對(duì)于電機(jī)的每一個(gè)轉(zhuǎn)速，都存在一個(gè)最小電容值，當(dāng)與定子并聯(lián)的電容值小于這個(gè)臨界值時(shí)，電機(jī)無(wú)法自激運(yùn)行。圖3-11圖312中，1是用來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)力機(jī)械；2是籠型異步電機(jī)；3是電容器組；4是開(kāi)關(guān)；5是可調(diào)電阻—電感載荷。圖312b則是異步電機(jī)的一個(gè)單相等效電路，其中所畫(huà)異步電機(jī)模型被稱(chēng)為g等效模型，另外定子繞組的電阻忽略不計(jì)。異步電機(jī)的磁場(chǎng)參數(shù)可以通過(guò)式（3來(lái)計(jì)算，電壓和電流應(yīng)用迭代法計(jì)算。圖3-12a）電路圖b）圖313所示是一個(gè)7.5k、2對(duì)磁極、額定頻率為60施，隨著負(fù)載電阻的增大，電機(jī)輸出端電壓下降很大，而且一旦降低到某個(gè)由電機(jī)轉(zhuǎn)速和并聯(lián)電容值決定的點(diǎn)，電機(jī)就無(wú)法再穩(wěn)定運(yùn)行了。這個(gè)臨界穩(wěn)定工作點(diǎn)則反映了此時(shí)電容和電機(jī)之間感應(yīng)電流的差值已經(jīng)達(dá)到了感應(yīng)電流的臨界值（見(jiàn)圖311）。圖3-13a）恒定轉(zhuǎn)速，電容值為參數(shù)b）圖314就是一個(gè)典型的三相同步電機(jī)電路圖，該電機(jī)的定子、和W端連接到電網(wǎng)的、和3線上；轉(zhuǎn)子承載勵(lì)磁繞組，直流勵(lì)磁電流通過(guò)1和2獲得可控的勵(lì)磁磁場(chǎng)。圖3-14 式中，Xd=Xmd+Xσ1是d軸同步阻抗；為等效化到初級(jí)繞組端的勵(lì)磁電流。如果電機(jī)是渦輪轉(zhuǎn)子類(lèi)型的勻強(qiáng)磁場(chǎng)電機(jī)，那么Xq=Xd。定子端 圖3-15a）帶恒壓 b）帶恒流源圖316所示是b坐標(biāo)平面內(nèi)定子電流根軌跡圖，以相對(duì)勵(lì)磁電壓（勵(lì)磁電壓與定子電壓的比值）為參數(shù)。如果電機(jī)使用的是渦輪轉(zhuǎn)子，那么電流根軌跡就是以點(diǎn)為中心的一系列同心圓。在圖316中，如果電流矢量的端點(diǎn)處于上半平面（一象限、二象限），表明此時(shí)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式下；如果電流矢量的端點(diǎn)處于下半平面（三象限、四象限），表明此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式下；如果電流矢量的端點(diǎn)位于右半平面（一象限、四象限），表示電機(jī)正在消耗無(wú)功功率（欠勵(lì)）；同理，電流矢量的端點(diǎn)如果位于左半平面（二象限、三象限）表示此時(shí)電機(jī)正在向電網(wǎng)中輸送無(wú)功功率（過(guò)勵(lì)）。圖316磁電壓變化。在使用勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)中，無(wú)功功率可控。圖315中的等效電路圖基于勵(lì)磁磁場(chǎng)圓周方向均勻地假設(shè)，因此只適用于渦輪轉(zhuǎn)子的電機(jī)。對(duì)于凸極轉(zhuǎn)子，由于定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙周期性變化，勵(lì)磁磁場(chǎng)也不再均勻，即qd。凸極轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的電流根軌跡圖也不再是同心圓，而是圓錐曲線。在電機(jī)轉(zhuǎn)矩中，一部分來(lái)自于同步轉(zhuǎn)矩，另外一部分由變磁阻引起的轉(zhuǎn)矩則正比于勵(lì)磁電壓的平方，并且也正比于n2，為功角。圖317b所示是一臺(tái)凸極轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的特性曲線圖，該電機(jī)的q軸電抗小于d軸電抗（qd），顯而易見(jiàn)，電機(jī)的極限轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在2時(shí)。圖3-16a）b）圖3-17a）渦輪式電機(jī)b）圖3-18a）渦輪轉(zhuǎn)子電機(jī)等效電路b）負(fù)載—圖3-19近年來(lái)永磁（）激勵(lì)同步電機(jī)也在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上有所應(yīng)用，甚至單機(jī)容量為5W的風(fēng)力機(jī)都有使用永磁同步發(fā)電機(jī)的型號(hào)。永磁激勵(lì)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，也沒(méi)有勵(lì)磁繞組的電阻損耗，因而效率比勵(lì)磁繞組的型號(hào)要高一些。隨著磁性材料技術(shù)的進(jìn)步（鈷磁性材料和稀土磁性材料），特別是銣鐵硼材料的廣泛應(yīng)用，永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度也可以達(dá)到勵(lì)磁繞組型電機(jī)的強(qiáng)度。永磁體在電機(jī)內(nèi)的安裝也有不同的形式，可以均勻安置在圓柱形轉(zhuǎn)子的表面，也可以安裝在轉(zhuǎn)子表面的插槽中，或者安裝在轉(zhuǎn)子的鐵心之內(nèi)[聚磁設(shè)計(jì)（budgn）。表面安裝永磁體的轉(zhuǎn)子，氣隙磁阻與渦輪轉(zhuǎn)子的電機(jī)類(lèi)似，其他兩種永磁體安裝形式其氣隙磁阻及轉(zhuǎn)矩都有周向波動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)dq。驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)的頻率也不能偏離50～60，因此直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)的磁極對(duì)數(shù)往往很大，需要多磁極的風(fēng)力機(jī)，質(zhì)量也大，單位功率質(zhì)量比不高。電機(jī)的有效體積取決于額定轉(zhuǎn)矩，所以這樣會(huì)導(dǎo)致功率質(zhì)量比下降。圖320所示是軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸，圖320和圖320圖中都是轉(zhuǎn)子—定子—轉(zhuǎn)子（）結(jié)構(gòu)，圖3-20c是定子—轉(zhuǎn)子—定子（）結(jié)構(gòu)。圖320中的繞組是環(huán)形，圖320b和圖320中的繞組都是螺線管形。圖321所示是轉(zhuǎn)子—定子—構(gòu)典型的磁場(chǎng)分布：圖321中轉(zhuǎn)子的一側(cè)安排的都是同樣極性的磁體，定子磁軛起到傳導(dǎo)磁場(chǎng)的作用，將磁場(chǎng)傳遞給環(huán)形繞組；圖321b中的結(jié)構(gòu)是適合使用螺線管形繞組的電機(jī)。每種結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分。圖3-20下起動(dòng)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)具有重要意義。圖322k95所示是一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用軸向磁通發(fā)電機(jī)的例子。參考文獻(xiàn)99更是提出了一種多定子—轉(zhuǎn)子模組并聯(lián)的軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖323所示，該結(jié)構(gòu)尤其適合驅(qū)動(dòng)船只螺旋槳或者低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。迄今由于其他機(jī)械和設(shè)計(jì)上的原因，軸向磁通電機(jī)還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。圖3-21圖3-22圖3-23橫向磁場(chǎng)電機(jī)的好處是可以擁有高轉(zhuǎn)矩/體積比，同時(shí)允許安裝多對(duì)磁極[Weh86]圖324給出了橫向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖324是簡(jiǎn)化的版本，形軟鐵導(dǎo)磁元件只放在轉(zhuǎn)子一側(cè)，形元件中間包圍的部件是定子繞組。磁極并列在兩條導(dǎo)軌上，通過(guò)中間的軟鐵材料形成磁通回路，磁極距不再對(duì)繞組構(gòu)成限制n97。圖324b下兩面對(duì)稱(chēng)地布置了定子和形軟鐵導(dǎo)磁元件，原設(shè)計(jì)制造難度極高。圖3-24a）多相電機(jī)的單邊組件b）異步電機(jī)，特別是籠型異步電機(jī)，既便宜，又結(jié)實(shí)耐用。如果使用籠型異步電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連入電網(wǎng)，它消耗的無(wú)功功率由電二個(gè)額定工作轉(zhuǎn)速（丹麥型設(shè)計(jì)），兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速比通常為3∶2。當(dāng)使用繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)差率可以通過(guò)靜態(tài)r系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)。使用這種調(diào)節(jié)方法的電機(jī)叫做雙饋異步電機(jī)。通過(guò)使用逆變器，雙饋異步電機(jī)可以向轉(zhuǎn)子回路中輸入或者提取能量。雙饋異步電機(jī)可以變速工作，不過(guò)需要容量大概為總裝機(jī)容量13比值為2∶1的逆變器。[1]原書(shū)圖3-6a有誤，已更正。——第4無(wú)源補(bǔ)償設(shè)備（電容器發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)不同，對(duì)于電能同步也有不同的要求，圖4-1所示是一些電力電子變流器電路可以完成的任務(wù)[Heu96]電力電子器件是一類(lèi)常見(jiàn)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，其中既包括二極管等不可控器件，也包括晶閘管、雙極型晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（）、絕緣柵雙極型晶體管（）、門(mén)極關(guān)斷（）晶閘管等可控器件。在電力電子電路工作過(guò)程中，電流從逆變器的一個(gè)橋臂換相至另一個(gè)橋臂輸出。根據(jù)換相所需電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源不同，逆變器可以分為自換相逆變器和外部換相逆變器。電網(wǎng)、電機(jī)甚至負(fù)載都可以作為換相電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源。根據(jù)功能，逆變器可以分為以下4交流—直流逆變器（整流器交流—直流—直流—交流—周波變流器則是無(wú)中間電路的交流—圖4-1直流—直流逆變器（斬波器直流—直流逆變器可以改變直流電的電壓和極性。使用儲(chǔ)能元件和脈沖控制的直流—圖42給出的是一個(gè)帶三相變流變壓器、6脈波晶閘管橋式電路和扼流線圈的全控整流器電路。因?yàn)榇讼到y(tǒng)中選用的晶閘管只具有門(mén)極電路觸發(fā)導(dǎo)通功能，而不具有門(mén)極觸發(fā)關(guān)斷功能，因此換相電壓必須由外部電網(wǎng)提供。這種橋式整流器是直流拖動(dòng)中最經(jīng)典的交流—直流整流解決方案。通過(guò)相控技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角，輸出直流電壓的高低就可以調(diào)節(jié)。當(dāng)觸發(fā)延遲角達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，換相被初始化，電橋中對(duì)應(yīng)的閥器開(kāi)始工作，輸出負(fù)載電流。當(dāng)晶閘管的觸發(fā)電流低于維持電流時(shí)，晶閘管關(guān)斷，直到下次換相開(kāi)始，閥器件才會(huì)再次工作。圖42路，既可以用作三相電網(wǎng)給直流負(fù)載供電的整流器（02），也可以用作直流—交流逆變器的直流供電的整流電路（2x），其中x是臨界穩(wěn)定觸發(fā)延遲角，大致范圍在150～160之間）。圖4-26脈波橋式（B6）考慮簡(jiǎn)單的理想情況，忽略換相延遲和直流端很大的電感，那么這時(shí)輸出電流應(yīng)該由圖43所示的相位角為120的方波相互疊加構(gòu)成。圖2所示的y聯(lián)結(jié)中，變壓器一次和二次繞組的電流都會(huì)體現(xiàn)出這種120方波電流；如果逆變器的端子采用y聯(lián)結(jié)，那么輸出電流的基本構(gòu)成就是另一種帶有相位差的階躍圖形。圖4-3帶負(fù)載的B6電路簡(jiǎn)化波形a）無(wú)控制（α=0）或二極管的整流器模式；b）受控（0<α<π/2）圖4-4帶負(fù)載的M3a）整流器，α=22°b）在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中，帶6晶閘管橋式電路的逆變器可以用于和靜止串級(jí)調(diào)速（）觸發(fā)延遲角的變化不僅會(huì)改變平均直流電壓，也會(huì)由于其與電網(wǎng)的相互作用而產(chǎn)生無(wú)功功率（0時(shí)，產(chǎn)生的是純粹的有功功率，2時(shí)產(chǎn)生最大無(wú)功功率）。產(chǎn)生的無(wú)功功率是感性無(wú)功功率，其基波值由相位控制決定，即圖4-5直流電壓與受控?zé)o功功率的關(guān)系圖（u0表示初始換相重疊角圖4-5所示是直流電壓與受控?zé)o功功率關(guān)系圖[Heu96]當(dāng)直流電壓被調(diào)到較低的值時(shí)，使用6這是6晶閘管橋式電路的顯著缺點(diǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，一種可調(diào)無(wú)功功率的電流源逆變器被設(shè)計(jì)出來(lái)。圖46所示的電路中直流側(cè)包含用作儲(chǔ)能元件的電感器。其接近90的觸發(fā)延遲角允許其調(diào)節(jié)無(wú)功功率。由于換相電壓必須由電網(wǎng)提供，該裝置只能產(chǎn)生電感性無(wú)功功率。圖4-6a）b）圖4-7圖48給出了三相全波橋式逆變器工作在六階段逆變方式下的相電壓，其中假設(shè)直流電壓d恒定不變。圖48所示是交流輸出端相對(duì)于0點(diǎn)的電壓；圖48b所示是交流輸出端的線電壓；圖48c所示是當(dāng)變壓器繞組采用星形聯(lián)結(jié)時(shí)，任意一相相對(duì)于中性點(diǎn)的電壓；圖48d電壓參考點(diǎn)0和交流中性點(diǎn)之間的電壓。圖4-8產(chǎn)生脈沖波形的方法有很多，不同的方法適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其中最常見(jiàn)的一種是脈寬調(diào)制（）。圖410示意圖，采用正弦形參考電壓u和三角形載波電壓u；載波電壓和參考電壓的頻率比則應(yīng)該是奇數(shù)，本例中該比值9；變流器開(kāi)關(guān)臂連接正或者負(fù)直流端依據(jù)u是否大于u而定。如圖410所示，相電壓u10和u20構(gòu)成了線電壓u12。調(diào)制比（modulationratio）圖4-9脈寬調(diào)制（PWM）橋式（B6）圖4-10具有正弦調(diào)制的PWM圖4-11利用復(fù)數(shù)計(jì)算，并且把發(fā)電機(jī)基波電壓矢量Ug式中 Rk+jω1Lk=Zkejφk圖4-12機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式）；式中 圖4-13用電器（電動(dòng)機(jī)）坐標(biāo)下的功率根軌跡圖（理想無(wú)損電感器圖414給出了無(wú)功電壓源逆變器的簡(jiǎn)化電路，該電路為得到方波工作模式使用電容器作為儲(chǔ)能元件u96。圖414是電路，圖414b是電壓和電流波形u96。與4.3.2.2節(jié)中敘述的電流源逆變器不同，這種自換相電壓源逆變器，既能產(chǎn)生容性無(wú)功功率（過(guò)勵(lì)），率（欠勵(lì)）。該電路可以輕易用作脈寬調(diào)制工作方式。這個(gè)電路也可以認(rèn)為是一種有源前端逆變器的特殊應(yīng)用，那么可以利用4.3.3.3圖4-14帶電容儲(chǔ)能元件的無(wú)功逆變器（在方波信號(hào)下運(yùn)行a）b）圖4-15a）VSI直流—圖416給出了一些典型的直流—直流斬波器oh95。輸入電壓d被變換為可調(diào)的輸出電壓o，o既可以高于d（升壓）又可以低于d（降壓）。電路中的開(kāi)關(guān)表示半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，例如晶體管。它使用脈寬調(diào)制方法，周期性地接通或者斷開(kāi)壓或者降壓。電路中的是電感儲(chǔ)能元件。在直流—直流斬波器正常工作時(shí)，流過(guò)電感的電流是連續(xù)的，在降壓模式中，輸入電流經(jīng)由脈寬調(diào)制本身是不連續(xù)的；在升壓模式中，輸出電感電流經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)器件的控制，由離散信號(hào)疊加而成。圖416損耗都忽略不計(jì)。由此可以看到，隨著電感周期性地吸收磁能與泄放磁能，在不同周期內(nèi)，電流與時(shí)間成分段線性關(guān)系。為了限制電流的波動(dòng)，電感不能小于一定的臨界值。電感臨界值與半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)頻率成反比。斬波器電路的一些特性值如下：圖4-16帶電感器的儲(chǔ)能元件的直流—a）降壓（buck）變換器b）升壓（boost）[Moh95]。圖4-17a表示減少的電感器電流iL在再次增加前的最后一刻剛好等于0。給定的平均電流ILB取決于占空比d圖表4-17b所示是當(dāng)輸出電壓圖4-17a）連續(xù)導(dǎo)通/不連續(xù)導(dǎo)通臨界情況b）邊界曲線圖4-18直流—交流電力控制器是相控電子裝置，可以在不改變頻率的情況下，調(diào)節(jié)串聯(lián)負(fù)載上的電壓有效值。交流電力控制器既有單相的也有三相的，采用反并聯(lián)兩個(gè)晶閘管或者直接采用雙向晶閘管來(lái)導(dǎo)通交流電兩個(gè)方向的半波。圖419所示是一個(gè)典型交流電力控制器電路，電路中帶電阻電感負(fù)載，三相中性點(diǎn)不接地。由晶閘管的觸發(fā)延遲角決定開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，然后電壓和電流開(kāi)始輸出，直到通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流降低到0，導(dǎo)通過(guò)程結(jié)束。由于在該設(shè)備中沒(méi)有換相現(xiàn)象，所以交流電力控制器一般不叫變流器。施加于負(fù)載的電壓有效值可以從最大（0時(shí)）到0之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在圖419中，晶閘管的觸發(fā)延遲角150時(shí)，輸出電壓等于0。輸出電流的大小則取決于負(fù)載，在圖419中所采用的例子中，假設(shè)負(fù)載電流取決于相位角a（1）。圖419b所示是該電路的電流控制特性曲線，其中的兩條線分別是負(fù)載os和os0的特性曲線，對(duì)于其他負(fù)載相位角，曲線從開(kāi)始并對(duì)應(yīng)著最大電流I0，。負(fù)載的電壓和電流都包含諧波，諧波的幅值與觸發(fā)延遲角相關(guān)，因此當(dāng)負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生額外損耗。圖4-19a）帶電阻負(fù)載的等效電路b）現(xiàn)在人們通過(guò)不同的技術(shù)角度來(lái)研究這個(gè)難題，參考文獻(xiàn)n中列出了一些儲(chǔ)能形式，即抽水儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、電解水—換能量，既能短期也能長(zhǎng)期儲(chǔ)存電能。電能存儲(chǔ)量、充放電功率容量、能量密度（也稱(chēng)為比能量）和功率密度（也稱(chēng)為比功率）較不同儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。下面將討論一些有可能應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的儲(chǔ)能方法。圖4-20儲(chǔ)能裝置的Ragone在攝氏25℃時(shí)，硫酸的密度為1.24g3。單體電池電壓為2。一般乘用車(chē)使用6個(gè)單體電池串聯(lián)來(lái)得到12電壓。當(dāng)蓄電池充滿電后，單體電池電壓會(huì)稍微增加達(dá)到2.3。圖42列出了鉛酸蓄電池單體電池的電壓曲線，以荷電程序作為自變量，同時(shí)也標(biāo)識(shí)出了在2.4的氣體析出現(xiàn)象。因此車(chē)輛用電池的額定電壓為14、18或者24，電池的銘牌上注明的容量以h為單位。蓄電池的容量主要取決于溫度和放電電流。一種通用的標(biāo)定電池容量的方法是20容量：假如電池以一個(gè)恒定電流放電20h電截止電壓，那么這個(gè)電流叫做I20，對(duì)應(yīng)的放電電量就是20容量。對(duì)于常用的12鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，放電終止電壓為10.5左右，如果持續(xù)放電的電流大于I20，電池將終止于更低的放電終止電壓。圖42給出了一個(gè)普通12鉛酸蓄電池的特性曲線。使用蓄電池時(shí)要盡量避免深度充、放電。圖4-21單體電池電壓U與荷電程度圖4-22a）b）C1R5C2R3，R4R1，R2圖4-23采用電流/圖4-24系統(tǒng)中的非線性參數(shù)靠來(lái)自實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)得到，另外一些參數(shù)則是上面所列參數(shù)的函數(shù)，如1的電壓1和電量1，3的電流3和電壓3。應(yīng)用模型時(shí)，電阻值也經(jīng)常被相加，如13和24表4-1傳統(tǒng)電容器僅僅設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)少量靜電能的儲(chǔ)能元件，并不適合用于大規(guī)模儲(chǔ)能，電化學(xué)雙層電容器（）的誕生給電容器大規(guī)模儲(chǔ)能帶來(lái)了一個(gè)新的解決思路。市面上幾種品牌的產(chǎn)品，如ps、upp和oop其實(shí)都是電化學(xué)雙層電容器，這種電容的金屬電極之直徑。由于電極和金屬層之間的距離非常小、表面積又大，因此電化學(xué)雙層電容器可以達(dá)到很高的能量密度，其存儲(chǔ)的靜電能為容量為5000的可以輕易買(mǎi)到，但是其次使用電壓則為2.52.8，能量密度約為4.7hk。電容存儲(chǔ)的能量正比于充滿電壓和完全放電電壓（約為1.2）的平方差。另外的串聯(lián)電阻極低，因此可以通過(guò)多單體電池串聯(lián)的方式使得功率密度輕易提高到10kk。為了把用于供電系統(tǒng)，串聯(lián)單體電池之間需要使用均壓線，整個(gè)電容器組也需要采用其他電力電子設(shè)備來(lái)達(dá)到供電電源的要求。的使用壽命可以達(dá)到50萬(wàn)次充放電循環(huán)，使用環(huán)境溫度為35～65℃，而且其可靠性極高。因此雖然目前的能量密度還不如電化學(xué)電池，但其仍然被部分研究機(jī)構(gòu)所青睞196。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，被用作短期儲(chǔ)能元件，參考文獻(xiàn)n04]中提出了一種利用作為補(bǔ)償器的直流升壓降壓斬波器。要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。螺線管造價(jià)較低，適合制造小型（超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)）設(shè)備；螺繞環(huán)產(chǎn)生的安培力比較小，只需要較弱的支撐部件，因此適合制作大型。除了低溫超導(dǎo)材料（）以外，還有高溫超導(dǎo)材料（）。低溫超導(dǎo)材料的典型使用溫度為4.2，使用液態(tài)氦制冷；高溫超導(dǎo)材料的典型工作溫度則為77，液態(tài)氮就足以作為冷媒了。但是高溫超導(dǎo)材料的許用電流密度低于低溫超導(dǎo)材料，不同的制冷技術(shù)也會(huì)造成成本的不同。最終可以使用如支撐結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)損耗或者其損耗能量與制冷系統(tǒng)的輸入功率的比值作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)成本的參數(shù)。一套使用低溫超導(dǎo)NbTi材料、2MJACCEL的系統(tǒng)具有如下性能：存儲(chǔ)能量為2.1MJ、儲(chǔ)能電流為1000A、線圈電感為4.1H、磁通密度為抽水蓄能法的思路是在電網(wǎng)電力過(guò)剩時(shí)，利用過(guò)剩的電能將水抽送至高水位的水庫(kù)存儲(chǔ)；當(dāng)用電高峰期電網(wǎng)電力不足時(shí)，用高水位的水流向低水位產(chǎn)生的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向電網(wǎng)回饋能量。這個(gè)概念已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的比較成熟。抽水蓄能系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，其一是用發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)兩用電機(jī)分別與水泵和水輪機(jī)相連接，抽水時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵，發(fā)電時(shí)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。另一種結(jié)構(gòu)是電機(jī)與一個(gè)水泵/水輪兩用機(jī)相連接，由于葉輪做水泵和水輪機(jī)的最適合結(jié)構(gòu)并不同，所以該輪機(jī)做水輪機(jī)連接同步電機(jī)時(shí)效率低于前一種結(jié)構(gòu)。如果使用逆變器，并且使用為水輪機(jī)優(yōu)化的渦輪，在水泵工作模式時(shí)電機(jī)運(yùn)行于異步轉(zhuǎn)速，總體效率低的問(wèn)題就可以被解決n00換時(shí)會(huì)有損耗，水庫(kù)中的水也會(huì)蒸發(fā)，造成發(fā)電用水少于水泵送水，計(jì)入這些損耗，其總體效率仍然能達(dá)到70%～85。下面以odh電站作為例子來(lái)說(shuō)明（2002）。該電站的高水位水庫(kù)庫(kù)容為13.51063，折合能量為8489h。電站配備4臺(tái)機(jī)組，其中兩臺(tái)使用同步電機(jī)分別連接水泵和水輪機(jī)，這2臺(tái)機(jī)組的額定功率都約為256W；另外2臺(tái)機(jī)組使用異步電機(jī)，額定功率都約為265。其總裝機(jī)額定功率為1060W。氣體的壓縮和擴(kuò)張?zhí)匦砸材鼙挥脕?lái)存儲(chǔ)能量，使用這一原理的系統(tǒng)叫做壓縮空氣儲(chǔ)能器（）?？諝獗粔嚎s機(jī)壓縮，存入地下的存儲(chǔ)壓縮空氣注入天然氣燃?xì)廨啓C(jī)中。壓縮空氣產(chǎn)生的熱能用于燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣預(yù)熱，燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動(dòng)輪機(jī)，最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖425所示是一套壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念圖，注意燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮器都連接到同一臺(tái)電機(jī)上，對(duì)應(yīng)著電機(jī)的不同工作模式。圖4-25CAES電站概念圖（德國(guó)洪托夫鎮(zhèn)表4-2洪托夫電站CAES①1bar=105Pa。——式中，J是飛輪繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；是飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。如果飛輪是質(zhì)量為、半徑為的圓柱體，那么有22；如果飛輪是質(zhì)量為、內(nèi)半徑為、外半徑為a的圓筒，那么（22）2。以上式子說(shuō)明了使用同樣的材料，帶輻條的圓筒形結(jié)構(gòu)可以獲得更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。飛輪可以使用鋼材來(lái)整體制作，但是碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度卻使得它更適合制作輻條。設(shè)計(jì)飛輪儲(chǔ)能器時(shí)一定要標(biāo)定飛輪外緣的最大許用線速度。高性能的儲(chǔ)能飛輪設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速高達(dá)20000n以上，能量密度高達(dá)130hk，而且總效率能達(dá)到95%。如此高的性能和超長(zhǎng)的使用壽命使得飛輪儲(chǔ)能器成為了固定設(shè)備不間斷電源（）也被部分機(jī)構(gòu)看好。第5定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)），或者允許速度輕微偏移的定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（由并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的并勵(lì)特性決定）變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)的頻率由逆變器與電網(wǎng)隔離開(kāi)）圖51所示是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)形式：圖51中異步發(fā)電機(jī)直接連接電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速必須恒定；圖51b變換全部功率；圖51中也使用逆變器隔離電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)，但是逆變器只變換部分功率。這種部分逆變的安排形式，要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子使用繞線轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)采用電刷—集電環(huán)圖5-1典型發(fā)電方法——a）b）c）d）e）下面來(lái)關(guān)注在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中廣泛應(yīng)用的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)形式。圖52風(fēng)輪通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)（1.5，齒輪箱變速比為100左右）。另外為了避免起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，該型布置通常設(shè)有相控軟啟動(dòng)設(shè)施。如果要描述雙額定轉(zhuǎn)速的丹麥型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，只需要對(duì)圖52做微小的改動(dòng)即可。圖5-2電控制器，這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以非常簡(jiǎn)單。如果買(mǎi)了輸出交流電的發(fā)電機(jī)，也可以參考圖52b，將蓄電池置于逆變器的直流中間電路，一樣可以正常使用。只要在發(fā)電機(jī)端設(shè)立一個(gè)有源前端逆變器來(lái)提供無(wú)功功率，異步發(fā)電機(jī)一樣可以應(yīng)用在孤立電網(wǎng)中。圖5-32004年和2007定速風(fēng)力機(jī)和變速風(fēng)力機(jī)的區(qū)別在功率轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速曲線圖中可以清晰地看出，圖54是功率—轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩—性與圖210中的相同，曲線簇以風(fēng)速作為參數(shù)，額定風(fēng)速為12。圖中畫(huà)出的曲線簇只考慮風(fēng)速影響，不考慮槳距角的改變（相當(dāng)于定槳距角）。注意最大功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)矩并不是最大，而是在圖的下降區(qū)中。圖5-4定槳定速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常使用籠型異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)發(fā)電。這種發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁無(wú)功功率由電網(wǎng)提供，運(yùn)行轉(zhuǎn)差率不超過(guò)1（子轉(zhuǎn)速幾乎就是同步轉(zhuǎn)速）。定速風(fēng)力機(jī)的名稱(chēng)實(shí)際來(lái)源于籠型異步發(fā)電機(jī)的限制。定速定槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)依靠被動(dòng)失速控制，當(dāng)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，葉片氣流攻角會(huì)進(jìn)入失速區(qū)進(jìn)而降低能量捕獲能力。葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)也與電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)相配合，確保穩(wěn)定葉尖轉(zhuǎn)速比對(duì)應(yīng)的正好是發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量依靠風(fēng)力機(jī)的功率—度是常數(shù)，氣流動(dòng)能與風(fēng)速成三次方關(guān)系。圖5-5為根據(jù)[IEC61400]規(guī)定的環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)的風(fēng)力機(jī)功率—圖5-5圖5-6圖5-7a）傳感器布置b）Γ式中，X2′=ω1（L1+L′σ）=X1+X′σ；Lσ′=L1σ/（1-σ）；R2′=k2Γ 圖5-8繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的L當(dāng)研究級(jí)聯(lián)電路時(shí)，把轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)等效到定子側(cè)會(huì)比較方便，這需要定義一個(gè)復(fù)數(shù)變 ，幅值為k2，相角為φ2，此時(shí)式中，U1是定子電壓矢量 是轉(zhuǎn)子對(duì)定子的相對(duì)電壓矢量。注意在靜態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子自身的參數(shù)頻率等于轉(zhuǎn)差頻率（sf1）超同步Kramer雙饋異步電機(jī)的定子直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則通過(guò)集電環(huán)連接一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)差能回饋逆變器，該逆變器的中間直流電路含一個(gè)電感，如圖59控系統(tǒng)。另外電網(wǎng)端還必須有變壓器存在，使回饋的電能與電網(wǎng)電壓一致。圖5-9靜態(tài)Kramer考慮逆變器的發(fā)電機(jī)端（連接轉(zhuǎn)子繞組），轉(zhuǎn)子電壓恒定不變，即變壓器變比k2不變。定子電流的根軌跡圖還是個(gè)圓，只不過(guò)由于2的存在，無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)差率會(huì)對(duì)應(yīng)改變。圖510是k20.為常數(shù)的電機(jī)電流根軌跡圖，它的極限轉(zhuǎn)差率k0.303。注意圓的內(nèi)外側(cè)比例尺不同，其外側(cè)比例尺的級(jí)聯(lián)無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)差率0k20.，內(nèi)側(cè)代表級(jí)聯(lián)無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)差率020.1。s=-0.35時(shí)的電路電流和電壓矢量，電壓矢量和方向相反，其中的勵(lì)磁電流相位落后電壓的相位π/2，為了讓讀者方便到，它的幅值被放大了。表示轉(zhuǎn)子電流，其經(jīng)過(guò)逆變器變換到電網(wǎng)側(cè)的電流由表示。和之間的相位差αW約為5π/6。電流矢下面用圖511來(lái)表示電機(jī)的功率構(gòu)成。不管是次同步的電動(dòng)機(jī)工作模式還是超同步的發(fā)電機(jī)工作模式，在功率圖中都能很好地吻合。圖5-11a是級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)化電路圖，忽略所有損耗，其箭頭代表功率的正方向。轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換輸送到電網(wǎng)側(cè)，最后再與定子繞組的功率相疊加成為級(jí)聯(lián)功率。圖511b給出了簡(jiǎn)化的nky圖，左邊表示電動(dòng)機(jī)工作模式（）機(jī)工作模式（0）的功率成分。圖5-10a）轉(zhuǎn)子電壓恒定下的電流根軌跡（如s0=±0.1）b）圖5-11Kramera）支路恢復(fù)圖（損耗忽略）b）Sankey圖512所示為r級(jí)聯(lián)電路的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速（或者轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率）曲線。通常情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速被限制在0，x0.5以?xún)?nèi)，但是一旦使用相控逆變器，圖512中的第一象限（次同步，電動(dòng)機(jī)模式）和第三象限（超同步，發(fā)電機(jī)模式）中的任意工況都可以達(dá)到。這里討論的級(jí)聯(lián)電路基于圖59中的簡(jiǎn)化電路圖，該結(jié)構(gòu)無(wú)法工作在圖512中的第二象限和第四象限。圖512給出了r級(jí)聯(lián)電路當(dāng)k20.時(shí)的功率—轉(zhuǎn)差率特性曲線。圖5-12a）b）功率特性雙饋異步電機(jī)的定子繞組直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)集電環(huán)與一個(gè)變流器連接。這個(gè)變換器將轉(zhuǎn)子提供的轉(zhuǎn)差功率變換至電網(wǎng)的電壓和頻率后再饋入電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器也形成一個(gè)級(jí)聯(lián)，它的功能很像前面提到的r級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，但是這個(gè)變換器一般采用循環(huán)變換器和帶中間直流電路的變換器，轉(zhuǎn)子側(cè)（I）和電網(wǎng)側(cè)（）機(jī)模式和次同步的發(fā)電機(jī)模式下。圖513給出了雙饋異步電機(jī)的簡(jiǎn)化電路圖，除了電機(jī)與逆變器以外它還包括了一個(gè)濾波器（）圖5-13由于逆變器采用可控器件，它可以向轉(zhuǎn)子繞組中輸入一定的電壓和電流，電壓幅值和相角可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。在靜態(tài)工況下，輸入電壓的頻率為轉(zhuǎn)差頻率。圖514給出了雙饋異步電機(jī)定子電流根軌跡圖，圖中的參考圓I1，1a的電流根軌跡（類(lèi)似于圖510）；I1、I1b和I1分別代表等效變比k20.，φ2、21.13和20.885時(shí)圖5-14a）電流根軌跡b） （）；I將電能轉(zhuǎn)換為直流波動(dòng)電壓，然后送入中間電路；直流—直流升壓逆變器（I）將1的電能變換為恒定電壓直流電，再送入中間電路2，最后由電網(wǎng)端自控變換器（）調(diào)節(jié)輸出電能的功率因數(shù)。電路中的濾波器（）必不可少。圖5-15外界勵(lì)磁電源可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的小型直流發(fā)電機(jī)，也可以是一個(gè)從發(fā)電機(jī)端子取電的靜止勵(lì)磁器。這種靜止勵(lì)磁器出現(xiàn)在了圖515當(dāng)中，與定子連接并且標(biāo)有字母的就是。孤立電網(wǎng)小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用的自控發(fā)電機(jī)經(jīng)常依靠發(fā)電機(jī)端子的電壓和電流做復(fù)合勵(lì)磁，電流和電壓的矢量其實(shí)也表征了電路中負(fù)載造成的相位位移。自勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的起動(dòng)是靠鐵心和繞組中的剩磁完成的。對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的電路簡(jiǎn)單擴(kuò)展，很容易得到自控復(fù)合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。圖516中的磁場(chǎng)，3的磁場(chǎng)會(huì)與2提供的磁場(chǎng)相疊加來(lái)改善主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。如果對(duì)勵(lì)磁電流有更高的要求，那就只有使用電子系統(tǒng)控制勵(lì)磁電流了。圖5-16圖517所示為常用永磁材料的磁通密度曲線。鐵氧體磁性材料磁場(chǎng)能密度低，但是很便宜，因此在小型直流電動(dòng)機(jī)和車(chē)用發(fā)電機(jī)等大圖518給出了適用于勵(lì)磁的銣鐵硼材料655 的性能曲線（節(jié)選自其生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品名錄），其產(chǎn)品的典型性為1.2、915k和（）275k3。圖518中也顯示出了廣為人知的磁性轉(zhuǎn)變效應(yīng)：隨著溫度的升高，（）和J（）曲線會(huì)突然下降，顯然材料的矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度也突降了。在設(shè)計(jì)使用永磁體設(shè)備時(shí)，一定要保證在正常工作和短路情況下，材料不要發(fā)生圖5-17圖5-18一種銣鐵硼（NdFeB）磁鐵的退磁曲線〔VAC圖5-18中的磁性材料，生產(chǎn)商標(biāo)注了許用工作溫度為160℃。對(duì)于現(xiàn)代發(fā)電機(jī)（溫度等級(jí)F）來(lái)說(shuō)，160℃不足使用，VACODYM655AP能僅用于小型發(fā)電機(jī)上。兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求更高的溫度穩(wěn)定性，在同一個(gè)產(chǎn)品名錄中查詢(xún) AP[VAC]可以滿足要圖5-19永磁體同步發(fā)電機(jī)（PMSM）a）b）帶2個(gè)繞組（不同磁極對(duì)數(shù)）的異步發(fā)電機(jī)（5.3.2節(jié)）雙饋異步發(fā)電機(jī)，帶轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器（5.3.3.3節(jié)）同步發(fā)電機(jī)，逆變器全饋（5.3.4節(jié)）；還有部分永磁同步發(fā)電機(jī)（5.3.4.3節(jié)）表5-1（續(xù)最為著名的風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合模式為柴油機(jī)—柴油機(jī)—圖520給出了一個(gè)孤立電網(wǎng)電氣島的示意圖，它包括2臺(tái)帶同步發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)和用于控制無(wú)功功率的旋轉(zhuǎn)移相器；配有異步發(fā)電機(jī)的2小型和1臺(tái)中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于提供電能。2個(gè)電容器組來(lái)用于提供負(fù)載所需的基本無(wú)功功率。1個(gè)蓄電池組通過(guò)變換器與電網(wǎng)連接，它可以與負(fù)載控制器組合使用。此外，1個(gè)無(wú)源濾波器使發(fā)電系統(tǒng)功能更完善。圖5-20風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)合并入電氣島電網(wǎng)示意圖（來(lái)源把圖5-21[1]中的電路擴(kuò)展一下，去掉柴油機(jī)—同步發(fā)電機(jī)，加入其他的可再生能源（如光伏發(fā)電）統(tǒng)，圖522給出了1種可再生能源電氣島自主控制系統(tǒng)的電路圖。在這個(gè)電路圖中，有1種使用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)、1機(jī)和1種光伏發(fā)電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的核心部件是負(fù)責(zé)電路管理和補(bǔ)償?shù)摹澳茉纯刂颇K。參考文獻(xiàn)ou01的作者把“能源控制模塊叫做“電力同步器”，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)備能夠同時(shí)控制有功功率和無(wú)功功率。電路中的蓄電池及其自控變換器可以平衡短期電網(wǎng)的功率、電壓和頻率波動(dòng)。最后這個(gè)電路中采用了有源濾波器來(lái)進(jìn)一步過(guò)濾雜波，優(yōu)化了電能質(zhì)量。圖5-21被動(dòng)功率限制（通常通過(guò)被動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)）圖5-22圖523給出了一個(gè)風(fēng)輪直徑為1.5的風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性曲線。這個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)如前面所述，用作蓄電池的充電器，額定輸出功率為400W定轉(zhuǎn)速為900n。從圖52中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于300n時(shí)蓄電池才開(kāi)始充電。這個(gè)300n的轉(zhuǎn)速是配合風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速而設(shè)定的。比較圖523中的連接電池的發(fā)電機(jī)特性曲線和圖31中的帶被動(dòng)負(fù)載的發(fā)電機(jī)特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)連接電池的發(fā)電機(jī)并不是從0n而是從切入風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（本例中約為300n）。這是因?yàn)榈惋L(fēng)速低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)電機(jī)的固有摩擦損失造成效率不高發(fā)電機(jī)功率不大，不值得開(kāi)機(jī)。流—以采用機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子功率預(yù)留設(shè)備來(lái)完成。機(jī)械功率限制法也有幾種思路，圖524給出了利用折尾裝置在高風(fēng)速下減少風(fēng)輪掃掠面積的功率功率限制方法。另外，如果使用了短路負(fù)載電阻，甚至可以用它當(dāng)作電子制動(dòng)器。圖5-23圖5-24圖524給出了折尾法調(diào)速的原理，圖524中風(fēng)速為正常工作風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)輪正常工作以獲取最大能量；圖524中風(fēng)速提高，此時(shí)折尾裝置開(kāi)始發(fā)揮作用，風(fēng)輪發(fā)生了類(lèi)似偏航的運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)向上的投影面積（即掃掠面積）減小，進(jìn)而限制了捕獲能量；圖524極限位置h05。圖5-2526d所示[Wha05]圖5-26二極管橋式整流器無(wú)法提供恒定電壓；整流器加直流—表5-2圖527給出了一個(gè)帶升壓逆變器的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路，圖中發(fā)電機(jī)完全被簡(jiǎn)化為電壓源，電壓值取無(wú)負(fù)載電壓o（o和內(nèi)阻）。直流升壓逆變器則用3個(gè)部件來(lái)模擬，即輸入端用一個(gè)電感，中間電流用一個(gè)變壓比為1（1d）的理想變壓器，輸出端用電容。電路的負(fù)載其實(shí)就是一個(gè)蓄電池，用電阻和恒定電動(dòng)勢(shì)來(lái)模擬。圖5-27下面看一個(gè)演示例子，假定小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為4kW，額定轉(zhuǎn)速為350，圖528給出了它作為蓄電池充電器的工作特性曲線。蓄電池采用連續(xù)電流充電，電磁轉(zhuǎn)矩控制策略為通過(guò)M方式調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的占空比，讓發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比。圖528中的3跡曲線分別為發(fā)電機(jī)電壓、直流升壓逆變器的輸入和輸出電壓；圖528b是逆變器的輸入和輸出電流曲線；圖528是控制器的占空比；圖528d是逆變器的輸入功率。圖529是一個(gè)千瓦級(jí)孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)典型電路圖，讀者可以比較這個(gè)電路與圖51中電路的異同。風(fēng)能被風(fēng)力機(jī)（1）捕獲，經(jīng)過(guò)永磁三相同步發(fā)電機(jī)（2）轉(zhuǎn)化為電能。二極管橋電路（3）對(duì)同步發(fā)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行整流，然后把電能送入第一級(jí)中間直流電路（注意，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何逆變器，這個(gè)電路的電壓是不穩(wěn)定的）。直流升壓逆變器（5）將直流電壓升高并穩(wěn)定，送入第二級(jí)中間直流電路，蓄電池（6）就連接在這個(gè)電路之中。最后這個(gè)電路還可以通過(guò)有源前端逆變器（7）和變壓器（8）將電能饋入單相局部電網(wǎng)（10）。圖529中的9高次諧波以提高電能質(zhì)量的無(wú)源濾波器，圖中的4是短路開(kāi)關(guān)。注意本圖與圖515的相似性。圖5-28a）b）c）d）圖5-29圖5-30在4.3.3.3節(jié)中已經(jīng)了解，有源前端逆變器可以滿足籠型異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流需求。圖531給出了一個(gè)與圖52幾乎相同的孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路圖，最大的區(qū)別是，圖531使用異步發(fā)電機(jī)。電路中的電容器組1的是還能分擔(dān)逆變器的負(fù)荷。電路的其他部分都與圖529相同。這種兩級(jí)中間直流電路，直流升壓逆變器加有源前端逆變器的設(shè)計(jì)，雖然成本較高，元器件內(nèi)部損耗也不小，但是它可以適應(yīng)較廣的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，因此不失為一種不錯(cuò)的異步發(fā)電機(jī)孤立發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁與控制方案。圖5-31[1]此處原書(shū)有誤，應(yīng)為圖5-20。——第6標(biāo)準(zhǔn)62428當(dāng)中廣泛采用了模態(tài)表示方法來(lái)研究三相交流電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)中的元器件、相間存在感性、阻性和線性組合，因此系統(tǒng)中的電抗和電導(dǎo)得以解耦。u和電流i，電壓特征模態(tài)為，電流的特征模態(tài)為，那么電壓和電流向量的模態(tài)表達(dá)如下式中，i*表示電流i如果通過(guò)精巧的選擇模態(tài)和模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣讓T 與上面這種變換相對(duì)立的另一種模態(tài)變換則是變功率模態(tài)變換，也叫做不變參考組件模態(tài)變換。模態(tài)變換矩陣要滿足在平衡對(duì)稱(chēng)情況下，選定某一系統(tǒng)組件為參考（而不是以功率），模態(tài)變換以后該組件的參數(shù)形式上與未變換的時(shí)域表達(dá)式相同。k表6-1注：c、s定義見(jiàn)式（6-6）?定義見(jiàn)式（6-9）αβ0模態(tài)變換（Clarke變換αβ0模態(tài)變換將時(shí)域中的相參量ga、gb和gc以正交向量gα、gβ和g0的線性組合來(lái)表示[1]。Clarke變換的變換矩陣Tαdq0模態(tài)變換（Park變換使用模態(tài)轉(zhuǎn)換矩 將時(shí)域參數(shù)ga、gb和gc映射到模態(tài)向量gd、gq和g0表達(dá)的坐標(biāo)系當(dāng)中，就叫做dq0模態(tài)變換，其變換矩 如下量互為對(duì)方的共軛向量?？臻g向量模態(tài)變換（0變換）將時(shí)域變量ga、gb和g映射到模態(tài)向量g、g（gzg*）和零序向量g0上。零序向量保證變換矩陣可逆，變換矩陣的定義則要分兩種情況討論：模態(tài)空間不旋轉(zhuǎn)，但是朝向任意方向（實(shí)際上向量a的方向即實(shí)軸方向），式中 對(duì)稱(chēng)模態(tài)變換（Fortescue變換比較變功率模態(tài)變換和不變功率模態(tài)變換，實(shí)際使用中前者更常用一些。表61和表62以三相電流為例，展示了變功率模態(tài)變換中的0換、dq0變換和0變換的模態(tài)變換矩陣及其逆矩陣。通過(guò)表61和表62，配合式（61）及模態(tài)變換矩陣的定義，模態(tài)變換的意義被更充分地展現(xiàn)于讀者面前。標(biāo)準(zhǔn)62428當(dāng)中還有更為詳細(xì)的其他電氣參量模態(tài)變換定義，讀者可以自行查閱。表6-2圖61給出了模態(tài)變換在交流電機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。圖61a所示是一個(gè)雙磁極三相交流異步電機(jī)，其氣隙均勻，定子繞組分為a、b，相鄰繞組之間夾角為120。轉(zhuǎn)子繞組也是三相，即圖61中的、和，相鄰繞組之間夾角也為120。表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角度，由定子a軸和轉(zhuǎn)子軸之間的夾角所定義。圖6-1a）三相繞線式定子和轉(zhuǎn)子b）圖61b給出了經(jīng)過(guò)模態(tài)變換之后的參量，疊加于原電路圖上。依據(jù)0變換，在定子上建立新的坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸的方向與a軸相重合；依據(jù)dq0變換，在轉(zhuǎn)子上建立新的模態(tài)坐標(biāo)系，原k、和向量則被映射到相互垂直的和兩個(gè)向量上，和相對(duì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系固定不動(dòng)。圖6中沒(méi)有畫(huà)出兩個(gè)坐標(biāo)變換的零序向量，因?yàn)檫@兩個(gè)零序向量對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩沒(méi)有任何影響。（65）中k變換矩陣中的角度被選為定子坐標(biāo)系1（表征定子的磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)），轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系2。在分析同步電機(jī)時(shí)，d軸和q軸一般附著于轉(zhuǎn)子上，朝向磁極的方向。當(dāng)d、q軸上的投影參量用復(fù)數(shù)ggg表示時(shí)，選定d軸為實(shí)軸方向。異步電機(jī)的αβ圖6-2Clarke 至此，已經(jīng)把異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的三相繞組轉(zhuǎn)化為兩個(gè)兩相繞組。這個(gè)4繞組模型忽略了零序電流和零序電壓，而且假定轉(zhuǎn)子繞組短接；定子端電壓等于定子繞組上感性和阻性阻抗上的壓降。在低頻電流情況下，容性阻抗造成的壓降忽略不計(jì)。4相電路中的電壓由式（6來(lái)計(jì)算，其中感性參量用磁通量的導(dǎo)數(shù)來(lái)表示，即如果使用空間向量模態(tài)法來(lái)表示電機(jī)的參數(shù)，那么定子參 gβ）；轉(zhuǎn)子參 ，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（氣隙轉(zhuǎn)矩）圖6-3表6-33 。此時(shí)的電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（見(jiàn)3.2.2節(jié)），式中 圖64所示是異步電機(jī)電磁參量的矢量圖，圖64b所示是控制框圖，其中d、q和是系統(tǒng)的輸入，ψ、和是電磁模型的輸出。當(dāng)使變量將為電機(jī)的磁場(chǎng)向量和轉(zhuǎn)矩。圖6-4a）b）穩(wěn)態(tài)小擾動(dòng)模型在許多工程問(wèn)題當(dāng)中（例如轉(zhuǎn)子負(fù)載微小擾動(dòng)）， （其中p表示微分運(yùn)算），p2Δωr+p2δΔωr+v2Δωr=0（6-29）當(dāng)v2>δ2圖65所示為同步電機(jī)模型，定子三相繞組為a、b和；其轉(zhuǎn)子為凸極轉(zhuǎn)子，上面纏繞著勵(lì)磁繞組f。在圖65到0坐標(biāo)系中；轉(zhuǎn)子的電壓和電流則被映射到dq0坐標(biāo)系中，d軸方向?yàn)檗D(zhuǎn)子主磁通方向。圖6中的模態(tài)坐標(biāo)變換均沒(méi)有考慮零序成分。假設(shè)電路中沒(méi)有任何阻尼，那么定子電壓（表達(dá)形式）和轉(zhuǎn)子繞組電壓如下：圖6-5a）凸極轉(zhuǎn)子三相電機(jī)b）在上面的線性方程中，添加的一階非線性部分，其中瞬態(tài)電動(dòng)勢(shì)（ep′）經(jīng)過(guò)式（636）修正的瞬態(tài)電壓，再加上d軸同步阻抗dd、d軸瞬態(tài)阻抗′d′d和d軸瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)′d等參量補(bǔ)充，同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如下：當(dāng)v2>δ2通常情況下v2>δ2，這時(shí)只要系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是太大，就能觀察到電機(jī)的電氣—機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)的固有頻率表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。通常圖6-6a）d、q軸中的繞組布置b）圖6-6b風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中使用的變換器大多是帶中間直流電路的交流—交流電壓源逆變器（，見(jiàn)4.3.4節(jié)）。在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩級(jí)逆變器幾乎是標(biāo)準(zhǔn)配置；大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越傾向于使用中壓電氣系統(tǒng)（如3k），此時(shí)需要至少3逆變器的詳細(xì)建模在參考文獻(xiàn)06中有詳細(xì)的介紹。除了這些交流變換器之外，直流—直流逆變器也被用作直流升壓或者降壓變換器。圖6-7與式（6-48）圖6-74 圖6-8直流—直流逆變器的建模更加簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)平均方法即可圖6-9風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系3慣量系統(tǒng)的模型（T：風(fēng)輪；B：變速器；G：發(fā)電機(jī)一組來(lái)自實(shí)際風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比為J∶J∶12∶0.6∶1，因此有些極其簡(jiǎn)化的模型會(huì)忽略變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而將其50的成分轉(zhuǎn)化到風(fēng)輪側(cè)，另外50%轉(zhuǎn)化到發(fā)電機(jī)側(cè)形成2轉(zhuǎn)子側(cè)往往和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得更好。式（652）中計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度向量的式子，第一個(gè)因子是軸的扭轉(zhuǎn)剛度的倒數(shù)；后面的描述系統(tǒng)慣性力影響；式（652）中傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的比值函數(shù)是描述兩者關(guān)系的傳遞函數(shù)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。但是一旦出現(xiàn)共振現(xiàn)象，傳動(dòng)系的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩也可能變得很大。因子和都是典型的二階振動(dòng)系統(tǒng)方程，它們的頻率響應(yīng)如圖610所示。圖6-10角位移Φ共振曲線（左）和轉(zhuǎn)矩Tsh共振曲線（右）（阻尼比回顧圖26，當(dāng)葉尖轉(zhuǎn)速比為設(shè)計(jì)值時(shí)，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)為最大值cp，。假如風(fēng)力機(jī)一直保持葉尖轉(zhuǎn)速比，那么式（653）的系數(shù)部分就是一個(gè)常數(shù)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也僅僅取決于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的平方。如下式所示，系數(shù)部分被寫(xiě)為因子：另外一種廣為接受的風(fēng)力發(fā)電機(jī)最優(yōu)化控制方法稱(chēng)為最大功率追蹤（xumporpontkng，追蹤）法。下面用光伏發(fā)電系統(tǒng)中的追蹤法來(lái)做類(lèi)比，說(shuō)明在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中這個(gè)方法如何應(yīng)用。圖611左側(cè)的曲線是光伏電池的發(fā)電特性曲線：圖中標(biāo)明了電流相對(duì)于電壓的關(guān)系，以光輻射能為參數(shù)。圖中的x曲線標(biāo)注出了最大功率曲線。圖61右側(cè)是風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系特性曲線，以風(fēng)速v為參數(shù)。圖中也標(biāo)注出了最大功率曲線。通過(guò)對(duì)比圖611的左右兩部分，可以看到一些共同點(diǎn)，當(dāng)然風(fēng)力機(jī)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成遠(yuǎn)比光伏發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)。類(lèi)似于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的追蹤法u07，參考文獻(xiàn)h02]的功率、轉(zhuǎn)速，并且根據(jù)監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)來(lái)改變風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況值。其增量方法思路如下：其他參考文獻(xiàn)中介紹的爬山算法（HillClimbingSearching，HCS）其實(shí)也是這種MPP追蹤法的變種。例如參考文獻(xiàn)[Wan04]使用人工智能控圖6-11起動(dòng)過(guò)程和超速保護(hù)功能）。功率控制器產(chǎn)生槳距角設(shè)定信號(hào)，這個(gè)信號(hào)再進(jìn)入變槳電機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速時(shí)，需要調(diào)節(jié)變槳角來(lái)降低功率系數(shù)以保證風(fēng)力機(jī)不會(huì)超速運(yùn)行。圖612中的風(fēng)輪子系統(tǒng)有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳距角3電機(jī)子系統(tǒng)的輸入端子為電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；輸出端子為電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪捕獲的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)氣隙轉(zhuǎn)矩（經(jīng)傳動(dòng)系放大后）之差為慣性轉(zhuǎn)矩，用于加速整個(gè)傳動(dòng)系。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，慣性轉(zhuǎn)矩為零。圖6-12向量控制是一種先進(jìn)的電機(jī)控制方法un08。圖614給出了一個(gè)使用雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)向量控制示意圖u02量出的電壓和電流被用來(lái)計(jì)算實(shí)際有功功率和無(wú)功功率；實(shí)際功率與其他控制器確定的設(shè)定值，和，的差進(jìn)入兩個(gè)比例—積分控制器，結(jié)果進(jìn)入解耦器進(jìn)行解耦。通過(guò)d、q軸變換法，定子和轉(zhuǎn)子的d、q軸電流dq和dq通過(guò)其各相繞組的相電流計(jì)算而來(lái)，旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)子位置角（通過(guò)編碼器得到）和計(jì)算得到的電壓向量角v。在解耦器中轉(zhuǎn)子電壓被直接計(jì)算到d、q軸坐標(biāo)系中成為dq。圖614中的逆變器是帶中間直流電路的電壓源逆變器，提供轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓，控制器通過(guò)M方式來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)電壓和電流信號(hào)。圖6-13圖6-14參考文獻(xiàn)u02的作者提供了1.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)的測(cè)量波形圖，該發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1800n，數(shù)據(jù)采樣周期為10n。如圖61所示，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角保持恒定，風(fēng)力機(jī)由逆變器控制電動(dòng)機(jī)氣隙轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)速以保持最優(yōu)尖速比；當(dāng)風(fēng)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)圖6-15當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能完全取決于風(fēng)速，風(fēng)輪的調(diào)速依靠發(fā)電機(jī)提供合適的氣隙轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)；當(dāng)風(fēng)速介于額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí)，發(fā)電機(jī)氣隙轉(zhuǎn)矩恒定，依靠變槳距系統(tǒng)或者被動(dòng)許風(fēng)力發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)過(guò)載。[1]如果將正交向量gα、gβ和g0看作某個(gè)虛坐標(biāo)系的3個(gè)單位向量，模態(tài)變換可以當(dāng)作是坐標(biāo)變換?！?風(fēng)力機(jī)的功率曲線描述風(fēng)力機(jī)容量的基本特性，見(jiàn)2.4.3為獲得風(fēng)電系統(tǒng)或風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)許可，輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（）需要進(jìn)行技術(shù)性能聲明。聲明主要內(nèi)容為普通連接點(diǎn)處（）由風(fēng)電系統(tǒng)引起的電壓偏離限制，通常限制標(biāo)準(zhǔn)為偏離額定電壓的2常運(yùn)營(yíng)的電壓和頻率限制。過(guò)去幾年，進(jìn)一步的準(zhǔn)則得到了發(fā)布，要求風(fēng)力發(fā)電的功率因數(shù)、頻率偏離時(shí)有功功率供應(yīng)以及故障時(shí)短路容量與