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学研究，风电机组发电技术已经趋近成熟。融合了古老的智慧与严谨的现代科学， 风电机组的形态与过去已经大相庭径，其风能利用的效率和功率也都不可同日而 语。经现代设计大型风电机组风轮塔筒高度可达 100 米以上，风轮半径可达 70 米，相当于一架波音 747 客机的长度，其功率最大达到了 15MW 以上。 论文网
图 1.1 现代风力机解剖图
图 1.1 为现代水平轴风力发电机的解剖图。现代风电机组按轴的方向分可以 分为垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机，按照动力类型来分又可以分为升力 型风力发电机和阻力型风力发电机。经过大量的实验和数据证明，升力型水平轴 风力发电机的风能扑捉效率最高，其中又以三叶片结构的风力发电机表现尤为突 出，所以在目前广泛应用的就是如图所示的这种三叶片升力型垂直轴风力发电机。
现代风电机组的构成主要有塔筒、机舱、轮毂、叶片、增速齿轮箱、发电机、 变桨系统以及偏航系统等。塔筒是用来支撑轮毂，并与地面链接的空心长筒结构； 机舱包裹着增速齿轮箱、发电机以及控制系统免收外界环境干扰；叶片是进行空 气动力学设计用以捕捉风能的结构，当达到要求的风速吹过，叶片在升力作用下 产生转矩，带动主轴低速轴转动；增速齿轮箱用于提升低速轴转速以适应发电机 的高转速要求；发电机的种类多种多样，但相同的是都是在风电机组中将风力转 矩转化为电能的模块；变桨系统是现代风电机组独有的系统，它工作的目的是保 证风电机组在高风速下也能够安全稳定的在额定功率下输出能量，而不会由于风
速过高而导致风机受损；偏航系统则是保证风电机组朝向风速的来流方向，从而 保证风机能够尽可能的利用风能。
1.3 选题意义
风能作为清洁高产的可再生能源备受人们关注，尤其在能源重度短缺的今天。 现代大型风电机组功率可达 10 兆瓦，其尺寸动辄上百米，风轮半径也达到 70 米。面对如此庞然大物，其运行维护、状态监测都十分困难，更不用说将其搬进 实验室进行分析研究。在这个时候，开发一种能够在实验室真实再现风电机组运 行工作状态的模拟仿真平台就显得格外重要。
图 1.2 风力发电机系统 风力发电机模拟仿真平台是这样一种系统，它通过特殊的控制算法，带动电
机使得其功率与转速符合实际的风电机组特性，并可以接到增速齿轮箱以及发电 机以到达真实模拟风电机组机舱内工作状态的效果。这种特殊的控制算法就是等 效转速控制算法，它可以通过针对风电机组能量转换的物理过程分析进而得到。 其工作过程如图 1.3 所示：
图 1.3 模拟仿真平台系统设计图
对于一个设计良好的模拟仿真平台，它的意义不言而喻。我们可以在实验室 中研究风电机组在各种风况下的工作状态，以设计出更加可靠稳定的风力发电系 统；可以模拟故障状态并收集各种故障情况下监测信号的异常情况，在实际应用 中更好地监测风电机组的运行；可以研究不同的风电机组变桨控制算法与最大功 率追踪算法，进一步提高风能利用效率。
然而设计一个真实有效的风力发电机模拟仿真平台并非易事。究竟如何设计 模拟算法才能真实反映风机特性？如何控制电动机才能迅速追踪目标转速？如 何得到符合自然规律的风速变化曲线？等等问题都亟待解决，而这正是本文阐述 的主要内容。
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