【正文】 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模報(bào)告 （改 4） 一、 按 變流器 拓?fù)?分類 不可控整流 +逆變器拓?fù)? 圖 1 不控整流 +電壓源型逆變器 不控整流 +逆變器構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單 , 由二極管整流電路將 PMSG 發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,然后由電壓源型逆變器 VSI轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?, 送入電網(wǎng)。 由不控整流得到的直流側(cè)電壓隨輸入而變化 , 通過全控型器件構(gòu)成 VSI, 可以通過改變調(diào)制比來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓頻率和幅值恒定 。 這種拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步提高開關(guān)頻率 , 減小諧波污染 , 靈活調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無功功率 , 從而調(diào)節(jié) PMSG 的轉(zhuǎn)速 , 使其具有最大風(fēng)能捕獲的功能 。 缺點(diǎn)是不能直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 , 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢 , 不控整流會(huì)造成定子電流諧波含量較大 , 會(huì)增大電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) , 并且當(dāng)風(fēng)速變化范圍較大時(shí) , VSI 的電壓調(diào)節(jié)作用有限 。 不控整流 +DC /DC 變換 +逆變拓?fù)? 通過增加 DC/DC變換器 , 可以實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的功率因數(shù)校正 ( PFC) , 提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率 。 同時(shí)當(dāng)風(fēng)速變化時(shí) , 不控整流得到的電壓也在變化 , 而通過DC/DC 變換器的調(diào)節(jié)可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定 , 并能對 PMSG 的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制 , 實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行 , 使其具有最大風(fēng)能捕獲功能 。 背靠背雙 PWM 變換器 拓?fù)? 發(fā)電機(jī)定子通過背靠背變流器和電網(wǎng)連接。發(fā)電機(jī)側(cè) PWM變換器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的 d軸和 q軸電流 ， 控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率 (無功設(shè)定值為0)， 使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在變速恒頻狀態(tài) ， 額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲功能 ； 網(wǎng)側(cè)PWM變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的 d軸和 q軸電流 ， 保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定 ， 實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制 ， 控制流向電網(wǎng)的無功功率 ,通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài) ， 此外網(wǎng)側(cè)變換器還要保證變流器輸出的 THD盡可能小 ， 提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。 二、 機(jī)組各部分 數(shù)學(xué)模型 （一） 背靠背拓?fù)? 風(fēng)速模型 風(fēng)速模型是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電研究的源參數(shù)。自然界的風(fēng)，并不是由單一元素構(gòu)成的，在考慮風(fēng)的組成時(shí)，可根據(jù)風(fēng)電場實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，做出各種風(fēng)速出現(xiàn)的概率分布，由此確定幾種典型的風(fēng)函數(shù)。為了簡單且具備一定的準(zhǔn)確性，常常采用簡化的四種分量模型來模擬風(fēng)速隨時(shí)間變化的特征。該模型較精確地描述了風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，將自然風(fēng)速分為基本風(fēng)速、陣性風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)噪聲風(fēng)，每一部分都易于計(jì)算，可以把風(fēng)速的特點(diǎn)集中在較短時(shí)間內(nèi)顯示，而且能夠全而檢驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)性能。 1）基本風(fēng) Vwb 基本風(fēng)，在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行過程中一直存在，基木反映了 風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送的額定功率大小也主要由基本風(fēng)決定，其可以由風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)獲得的韋布爾分布參數(shù)近似確定。一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時(shí)間變化，因而可以取常數(shù)。 wbVC? 2）陣性風(fēng) Vwg 陣性風(fēng)，用于描述風(fēng)速突然變化的特性。在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析中，特別是在分析風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響時(shí)，通常用它來考核系統(tǒng)在較大風(fēng)速變化情況下的動(dòng)態(tài)特性。 V 用于表述風(fēng)速的突然變化，在 3 個(gè)時(shí)間段內(nèi)有不同的風(fēng)速，其表達(dá)式為 01 c os 220mawg wgdv t TVvT??? ??????? ? ?? ??????????? 式中， mv 為陣性風(fēng)最大風(fēng)速； aT 為陣性風(fēng)的起始時(shí)間； dT 為陣性風(fēng)的持續(xù)時(shí)間。 3）漸變風(fēng) Vwr Vwr用于描述風(fēng)速中逐漸的變化成分 ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 010ew r w r maetTV v vTT?? ????? ? ?? ???????? 其中， mv 為漸變風(fēng)最大風(fēng)速； ,aeTT分別指漸變風(fēng)的開始和結(jié)束時(shí)間。 4）隨機(jī)噪聲風(fēng) Vwn Vwn用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機(jī)風(fēng)的特性，山許多諧波分量構(gòu)成，其表達(dá)式為 : ? ? ? ?1 ,1 c o sw n n m i iV v ra m w t ?? ? ? 其中， iw 為風(fēng)速波動(dòng)的平均間距， 常取 ? 2π； i? 為初相角， 是 0? 2π之間均勻分布的隨機(jī)變量， Ram(1,1)為 (1,1)之間 均勻分布的隨機(jī)數(shù)， nmv 是隨機(jī)風(fēng)速分量的最大值。 綜合上述四種風(fēng)速描述，由此可建立組合風(fēng)速數(shù)學(xué)模型 : wb wg wr wnv V V V V? ? ? ? 風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型 風(fēng)輪是捕獲風(fēng)能的部件，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)輪捕獲的功率為： 312 pP AC v?? 其中 ? 為空氣密度， v 為風(fēng)速， A 為風(fēng)輪的掃略面積，有 2AR?? ， R 為風(fēng)輪的半徑。 pC 為風(fēng)能利用系數(shù)，他是葉尖速比 ? 和槳距角 ? 的函數(shù)， ? 即為風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比值。 pC 的值是比較復(fù)雜的，他決定了風(fēng)能利用的效率。合理的選擇這個(gè)值可以使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大效率處。一般來講， pC 的曲線都是由風(fēng)輪的制造商以查表的形式給出的。但是，這個(gè)參數(shù)實(shí)際上和受到許多因素的影響，比如內(nèi)部因素，包括風(fēng)輪本身的結(jié)構(gòu)外形，外部因素，比如風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境下的風(fēng)速，濕度，空氣密度，以及氣溫等。實(shí)際運(yùn)行中，這個(gè)參數(shù)還會(huì)發(fā)生變化。因此實(shí)際上很難對這個(gè)參數(shù)給予準(zhǔn)確的描述。本文中則采用一種近似的代數(shù)模型來表示 pC ，其表達(dá)式如下 ： 6 11 2 3 4 51( , ) ( ) czpC c c c c c e? ? ? ? ? ?? ? ? ?? 其中，31 1 0 .0 3 50 .0 8 1? ? ???? ? ? mwRv?? ，同時(shí)其中的 c 的取值如下： 1 2 3 4 5 60 . 5 , 1 1 6 , 0 . 4 , 0 , 5 , 2 1c c c c c c? ? ? ? ? ?，這些取值主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。 pC 的值 對最大功率捕獲非常的重要。如果知道在某個(gè)風(fēng)速下的最大值，那么由上 式就可以控制風(fēng)機(jī)捕獲最大的功率。 綜合上述各 式，就可以導(dǎo)出風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩： 31//2 pTw P w A C v w??? 傳動(dòng)鏈模型 傳動(dòng)鏈主要是指從風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子之間的軸，如果是雙饋式的系統(tǒng)，那么中間還要由齒輪箱相連接。一般來說，對風(fēng)機(jī)的簡化分析會(huì)將風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加在一起，也就是說，認(rèn)為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間的軸是絕對剛性的，這種模型成為單質(zhì)量模型。但是對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性分析時(shí)，如果仍然采用單質(zhì)量模型的話，就會(huì)出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤，因?yàn)閷?shí)際上風(fēng)機(jī)的軸的結(jié)構(gòu)比單質(zhì)量要復(fù)雜，所以實(shí)際不穩(wěn)定的情況可能被仿真誤判為穩(wěn)定。這時(shí)則需要采用二質(zhì)量模型。所謂二質(zhì)量，是指將風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分開考慮，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力矩需要通過軸的 扭力進(jìn)行傳輸。在這種情況下，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是有偏差的。 雙質(zhì)量傳動(dòng)鏈的模型如下： mm dwJ Tm Tgdt ?? gg dwJ Tg Tedt ?? g s sTK??? 其中 mJ 為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， gJ 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， mw 為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速， gw 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， Tm 為作用在風(fēng)輪上的風(fēng)力轉(zhuǎn)矩， Tg 為作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩， Te為電磁轉(zhuǎn)矩， sK 為軸系的總剛度， s? 為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度差。 由 上述第三 式可以看出，在穩(wěn)態(tài)情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)輪是存在角度差的，這樣才能產(chǎn)生合理的轉(zhuǎn)矩，這時(shí)間上是一種彈性勢能的儲(chǔ)存。但是當(dāng)暫態(tài)過程發(fā)生時(shí)，這部分能量會(huì)釋放出來，或者存儲(chǔ)更多，從而對轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩等造成影響，比如軸系的松弛的過程?？梢韵胂螅S系的剛度越大，對系統(tǒng)的影響就越小，軸系剛度越小，對系統(tǒng)的影響就越大。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，軸系的剛度并沒達(dá)到合理的可忽略的地步，所以有必要對傳動(dòng)鏈模型予以考慮。 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué) 模型 在分析永磁同步電機(jī)時(shí)，假設(shè) ： (1) 定子繞組 Y 形連接，繞組電流為對稱的三相正弦波電流 (2) 忽略電機(jī)渦流和磁滯損耗 (3) 轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組 (4) 定子磁場呈正弦分布，不考慮諧波與飽和 圖 4 兩種坐標(biāo)系下的永磁電機(jī)模型 按發(fā)電機(jī)慣例， 在三相 ABC 坐標(biāo)系下電壓方程為： uA = ?RsiA + dψ Adt uB = ?RsiB + dψ Bdt uC = ?RsiC +dψ Cdt 式中 uA 、 uB 、 uC 為三相電壓， iA 、 iB 、 iC 為三相電流， ψ A 、 ψ B 、 ψ C 為定子磁鏈，RS 為定子電阻。 利用派克變換，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 設(shè)有三相電流 ai 、 bi 、 ci ，通過下列變換矩陣，可以將其轉(zhuǎn)換成 di 、 qi 、 0i ，分別稱為定子的直軸，交軸， 0 軸