麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!随着对可再生能源的需求日益增长，风能作为一种广泛可利用的清洁能源形式备受关注。
在风能转换系统中，风力发电机组是关键组成部分之一，它的性能和效率直接影响到风能的利用程度和经济性。
而同步磁阻是风力发电机组中，一种基于电磁原理的驱动技术，可以用于替代传统的机械齿轮传动系统，提高风力发电机组的效率和可靠性。
与传统的风力发电机组相比，同步磁阻技术具有结构简单、动态响应快、转速范围广等优势。
今天我就带大家一起探讨，风力发电机组和同步磁阻建模在风能中的应用，以及它们在提高风力发电效率和可靠性方面的作用。
图1●○风力发电机模型○●在世界各地的可再生能源中，风能发电更具环保和经济性。
近年来，风能发电的使用有了显著扩大。
这导致了对高功率风力涡轮机和发电机的开发变得更加重要。
因此，最近的研究更多地侧重于开发用于偏远地区应用的高效、低成本的发电机。
涡轮机的额定功率在千瓦级别。
涡轮机的性能系数可以用叶片倾角和尖端速度比（TSR）来表示，如公式（1）所示：对于不同类型的风力涡轮机，C1到C6的值是不同的。
图2显示了C1、C2、C3、C4、C5和C6的功率系数曲线和尖端速度比，它们分别为0.200、119、0.4、5.5、12.5和0。
涡轮机的输出功率以瓦特（watts）表示。
在图2中，已选择了在α = 0时Cp最优点的λ值。
图2一旦找到了λ和Cp的值，就可以根据公式（3）和（4）计算涡轮机的转速和半径。
尖端速度比可以通过以下公式确定：引起风力涡轮机轴旋转的扭矩取决于涡轮机的额定功率输出和角速度。
可以表示为：转速提高后，齿轮箱被用于将扭矩传递到以较高速度旋转的发电机轴上。
风力涡轮机侧到发电机侧的齿轮比可以表示为：这里，Ω和ω分别是涡轮机和发电机的转速。
方程（1）到（6）被用来设计一个在额定平均风速为8米/秒时能够产生1千瓦输出轴功率的风力涡轮机。
风力涡轮机的设计参数总结在表1中，显示了风力涡轮机在不同叶片倾角α下的功率系数变化。
表1图3显示了不同风速下的机械功率生成情况。
可以观察到，对于设计的风力涡轮机，最大功率在平均风速为8米/秒时接近32弧度/秒。
图3图4显示了不同风速下引起机械转动的扭矩。
从图4可以观察到，随着风速的增加，为了提取涡轮机的最大转动扭矩，涡轮机的转速也需要增加。
图4●○SRG设计算法○●提出的发电机的尺寸确定过程始于分配风力涡轮机的初始关键参数，例如转速和最大扭矩。
这些分配的参数与发电机的分析模型一起用于计算磁性、几何和电性参数。
发电机的设计始于预设的输出参数，例如定子几何、转子外径等。
如果几何参数（例如叠装长度和定子外径）无法满足设计参数要求，则需要进行新的迭代，使用修订后的分配参数。
使用有限元（Ansys Electronic Desktop）软件分析发电机的性能，包括扭矩质量、最大开发扭矩以及磁性属性，如磁场H和磁场B。
如果Ansys Electronic Desktop软件的结果满足设计要求，则过程结束。
否则，将通过更新分配的参数（例如尖端速度比、效率系数、空气质量密度、电流和磁载荷、极距与气隙比例和叠装纵横比）来重复该过程，以获得合适的尺寸（图5）。
图5需要满足的设计约束条件包括：额定功率为1千瓦，电磁扭矩≥6.4牛·米，最大扭矩波动≤9%，最大反电势≥100伏。
对于所开发的分析模型，考虑了以下简化假设：•忽略电流中的时间谐波和气隙磁通中的空间谐波•假设铁芯损耗电阻是恒定的，并且对励磁没有影响。
极距τ是获取发电机外转子直径的主要参数，如下方程所示。
外转子直径Dr和叠装长度L可以表示为：其中，Te是风力涡轮机的发电机扭矩，L/τ是叠装纵横比，kc = 1.05是Carter系数，ks = 1.4是饱和系数，P是极对数，kd是d轴和q轴电感与磁化电感的比率。
这些参数在表2中定义，而突出比定义为Ld/Lq = (kd - kq)/(2kq)。
表2通过设计定子铁心几何形状，即定子槽尺寸和转子结构，确定了外转子直径和叠装长度。
转子气隙肋的距离从轴半径处设计。
还显示了气隙肋的边缘沿着转子内部核心半径以角度∂m分离。
选择了段/点，并进行插值以得到6极转子的结构。
每个磁通和气隙障碍由梯形形状的段组成，具有径向厚度和切向厚度，末端点角度为∂m。
该参数的设计方式是确保在高速下满足所需的电磁和结构稳定性。
最大转子末端点角∂m，以磁通障碍物数(qi)、极对数(P)和浮动角度(β)表示，可以通过公式(9)给出：这里，浮动角β被假设在0到10°（0到π/18弧度）之间。
安培线圈的总槽、d轴和q轴分量可以表示为：其中Im = Imax，kw是定子槽绕组系数，kw = 0.955。
每个槽匝数n是设计中的一个关键参数，例如定子电阻、漏感和机械感应。
每相电阻R为：其中Le是端部匝间长度，Le = πτ/2，J是电流密度，ρr是120°C温度下的铜电阻率。
漏感Lls表示为：在这里，计算得到的槽通导率为cs = 2.12535，气隙系数为ca = 0.2，端部匝间长度系数为ce = 0.00071817。
均匀气隙下的磁化电感Lm可以表示为：因此，对于双层绕组，定子电阻、漏感、磁化电感、d轴和q轴电感都是匝数n的函数。
通过简化计算，它们可以表示为表3中的形式：表3当同步磁阻机在发电模式下工作时，它将机械能转化为电能，但是为了自激励，它需要超过电抗p的电容来磁化其磁场通路。
在电动机模式下，Iq和Id具有相同的符号，而在发电机模式下，它们具有相反的符号。
以电流q和d-轴参考系为基础，电动机运行在第一和第三象限，换句话说，当Iq和Id < 0或Iq和Id > 0，Te > 0时，是电动模式；发电运行在第二和第四象限，这意味着Id > 0和Iq < 0或Id < 0和Iq > 0，Te < 0。
图6和显示了SRG产生的磁阻转矩。
图6忽略定子电阻的影响，转矩方程可以表示为：由于风力涡轮机转速较低，所以使用齿轮箱来增加发电机轴的转速。
对应于组合涡轮发电机系统的摆动方程如下所示：●○SRG的有限元分析○●本节介绍了对所提出的SRG设计进行的有限元分析验证。
我们根据设计规范进行了有限元分析（FEA）来评估其性能。
图10展示了1 kW的SRG中定子绕组中的最大感应电动势（emf）。
如果有效的q轴磁通减小，emf会减少。
我们通过有限元分析和仿真得到了在不同的激励电流下的emf结果，如图10所示。
图10图11展示了在1500 rpm下，不同磁化电流下机器产生的反电动势的峰值。
可以观察到，emf从零电压开始增加。
图11图6展示了机器在电动机模式和发电机模式下的性能。
我们可以看到，平均转矩与电机电流的平方成正比，直到电流达到9A。
在9A之后，(Ld-Lq)的差值近似恒定，因此平均转矩的变化呈线性关系。
图6图8展示了机器的电磁转矩随γ的变化。
随着平均转矩增加，转矩波动也会增加，反之亦然。
图8表格5提供了自激励SRG发电机的性能。
从表格5可以观察到性能、磁通线和磁场密度。
总体而言，可以说SRG的设计更加稳健且成本更低。
由于成本效益和稳健性是决定发电机适用于农村电气化应用的主要标准，SRG更适合用于农村电气化。
表5图7提供了SRG发电机的磁场密度分布和磁通线。
表格5提供了扭矩、链路电感、磁化电感、d和q轴以及涟漪扭矩百分比的性能比较。
可以观察到分析和有限元分析的结果相似，仅有小的偏差。
图7本文介绍了从风力涡轮机建模规格出发设计和建模同步磁阻发电机的过程。
通过分析性能与转子轴尖速度、机械功率与涡轮机转速之间的关系，进行了性能评估。
通过减小发电机的q轴电感来降低扭矩涟漪，并评估了生成的电磁感应电压和扭矩随时间的变化。
同时考虑了定子电阻对电磁扭矩随功率角变化的影响，并提出了磁阻发电机的设计算法。
利用有限元分析确定了机械的磁场密度和磁通线的性能。
通过评估分析和有限元分析结果，对设计和建模进行了比较和验证。
总体而言，该设计的同步磁阻发电机具有较高的成本效益和可靠性，适用于农村电气化应用。
风力发电机组通过将风能转化为电能，成为可再生能源中的关键组成部分。
然而，风力发电面临着不稳定的风能资源、复杂的环境条件以及大规模风场管理等挑战。
同步磁阻建模是一种有效的风力发电机组建模方法，能够准确描述其动态特性和输出功率。
通过同步磁阻模型，可以预测发电机组的输出功率，并实现对其运行状态的监测和控制。
这对于提高风力发电效率和可靠性至关重要。
然而，风力发电技术仍然需要不断的研究和创新，以应对风能资源的不稳定性和复杂环境的挑战。
同时，加强大规模风场管理和优化控制策略也是未来的发展方向。
风力发电机组和同步磁阻建模在风能中的应用具有重要的意义，为提高风力发电的效率和可靠性提供了有力的支持。
随着技术的进一步发展和创新，风力发电将在可再生能源领域发挥更加重要的作用，为实现清洁能源转型和可持续发展做出贡献。
