【正文】 右 ，由此所造成的溫室效應氣體排放將會增加 45%90%，從而帶來災難性后果。本文基于Simulink 仿真技術，構(gòu)建了永磁同步發(fā)電機通用模塊，并進行封裝，從而為該種發(fā)電機系統(tǒng)的仿真研究提供了方便、可靠的工具。并在 Matlab／ Simulink 環(huán)境下搭建了整個仿真系統(tǒng)的模型。而采用永磁同步發(fā) 電機的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，因其具有效率高、制造方便、控制效果好等優(yōu)點， 逐漸成為人們研究的焦點 。 （ 二 〇 一三 年 六 月 本科畢業(yè)設計說明書 學校代碼： 10128 學 號： 20xx20305003 題 目： 直驅(qū)型風電機組建模及仿真分析 學 生 姓 名 ： 孟慶飛 學 院 ： 電力學院 系 別： 電力系 專 業(yè)： 風 能 與 動 力 工 程 班 級： 風 能 與 動 力 工 程 09 指 導 教 師 ： 任永峰 教授 摘 要 風能作為一種清潔的可再生能源，不僅可以緩解能源危機，而且有利于環(huán)保， 可帶來直接的經(jīng)濟效益和社會效益，因此近年來受到各界廣泛關注，風電產(chǎn)業(yè)也 發(fā)展迅猛。本文主要針對永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)系統(tǒng)進行建模和仿真 研究。文章提出了最大風能捕獲方法，提高了發(fā)電機的效率。通過以上研究，為建立具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型永磁直驅(qū)風電機組奠定了理論和試驗基礎。能源與環(huán)境成為當今世界所面臨的兩大重要課題。 從去年 爆表事件和大范圍的霧霾天氣，已經(jīng)讓越來越多的人們認識到以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不符合建設生態(tài)美麗中國理念這一事實。我國東南沿海島嶼以及西北牧區(qū)、西南山區(qū)嚴重缺電，但風能資源較大，有著發(fā)展風力發(fā)電的優(yōu)良條件。目前 我國風電產(chǎn)業(yè)還有各種各樣的問題 ， 如 大型風力發(fā)電設備生產(chǎn)技術 的 缺乏、研發(fā)基礎 略顯 薄弱、風電人才短缺、風電場的運行 、維修、 管理水平低下等。從對風電機組進行優(yōu)化運行的角度上講，需 要對風電機組進行狀態(tài)檢測和評估，從而優(yōu)化風電場的運行和維修，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。 國外以及國內(nèi)風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 世界各國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 全球 風能資源分布情況如下圖所示： 圖 1 全球風能資源分布簡圖 （ TWH/A） 面對資源的短缺以及它所帶來的威脅，世界上各國都積極研發(fā)利用風力發(fā)電 的技術，以歐美等發(fā)達國家為代表，風能產(chǎn)業(yè)在全世界蓬勃發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出了規(guī)?；l(fā)展的趨勢。目前世界上最大 的風 機 容量 為 7． 3 兆瓦，風輪直徑為 112 米。 1994 年英國倫敦海上工程公司的船舶設計師托恩就領導了一個國際性財團進行風力發(fā)電機計劃，以使海上風力發(fā)電進入商業(yè)經(jīng)營。歐洲 繼續(xù)保持總裝機容量第一的位置，亞洲 超過 了 北美市場排在第二位。因此，在我國因地制宜地開發(fā)利用風能，不僅可以擴大能源，而且有助于解決邊遠地區(qū)用電需要，有著現(xiàn)實的重要意義。這意味著全國風電裝機增速同比將有大幅提升，今年全年風電產(chǎn)業(yè)市場再次走上發(fā)展快軌前景可期。 市場分析認為， 1800 萬風電裝機目標較 20xx 年全年新增規(guī)模相比有較大提升 ，這一定程度上意味著此前陷入低迷的國內(nèi)風電市場有望再次提速發(fā)展。 我們可以這樣 認為，這意味著自此前電煤價格市場化改革為起點，以電力體制改革等為代表的一系列能源體制機制改革有望在 20xx 年逐一融冰。 截止到 20xx 年年底，我國風電累計裝機容量達到 7532 萬千瓦，仍保持總裝機容量全球第一。 20xx 年，是國內(nèi)陸上主流風電機組向更大容量過渡的一年。在風電開發(fā)方面形成了國家核準計劃管理制度，協(xié)調(diào)風電場建設與電網(wǎng)的建設。 可見，在經(jīng)歷了發(fā)展初期 ”一窩蜂式 ”的建設錯誤之后，我們對風電的發(fā)展有了一個科學的、符合實際情況的認識。變速恒頻方式可通過調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速追 蹤最大風能，提高了風力機的運行效率。機組單機容量不斷上升。為了提高風力發(fā)電系統(tǒng)效率和運行可靠性，目前風力發(fā)電系統(tǒng)正在向 取消增速機構(gòu)的由風力機直接驅(qū)動永磁發(fā)電機的趨向發(fā)展，并已在不同功率等級 的風力發(fā)電系統(tǒng)中得到應用。使用直驅(qū)發(fā)電機能大大減少發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分組件數(shù)量。 從原理入手，介紹了 不控整流后接升壓斬波電路后接 PWM 型永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、。 第 2 章 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)運行原理和數(shù)學模型 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)運行原理 傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)，常采用增速齒輪箱來提高風力機的轉(zhuǎn)速，然而齒輪箱不僅會產(chǎn) 生噪聲、增加系統(tǒng)故障率，而且會降低風能的利用率。 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)成有： 風力機、永磁同步發(fā)電機、電力電子變流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。通過中間的電力電子變換環(huán)節(jié)來對系統(tǒng)的有功和無功功率進 行控制，以達到最大風能追蹤的目的。發(fā)電機無自帶冷卻風扇或外裝冷卻風扇，因而結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，提高了整機組的可靠性和壽命，減少了運行和維護費用。本論文采用將四個風速分量合成代表現(xiàn)實風速的方法， 這種方法考慮了風速 的 隨機分量分布譜密度、風速 的 頻率、地表 的 粗糙度和擾動范圍，能夠比較全面地模擬 現(xiàn)實 風速變化，本文在 進行變速恒頻風電機組的動態(tài)仿真時，將風速 的 模型簡化為 4種典型的風速變化情況，即基本風 AV 、陣風 BV 、漸變風 CV 和隨機風 DV 。風力機截獲流動空氣所具有的動能 ,并將風力機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部份空氣的動能轉(zhuǎn)換為有用的機械能 ,風力機決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出 ,也直接影響機組能否的安全、可靠并 且穩(wěn)定運行。 )()()( 風力機從空 氣中捕獲 的功率如下所示： WWW TP ?? 所以，我們可以將風力機的輸出轉(zhuǎn)矩表示如下： ? ???? 2 ),(23 Pww CVRT ? 我們通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為適當值，即可使 Cp 值保持最大，從而捕獲最大風能，相關控制策略我將在 下一章體現(xiàn)。因此矢量控制中的同 步旋轉(zhuǎn)軸系 )()()( 與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合。 我們 做以下假設 ，以便對發(fā)電機進行系統(tǒng)建模 ： 忽略鐵心磁飽和；忽略發(fā)電機的齒槽效應；轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。直流電經(jīng)過直流斬波電路升壓 ,再通過高功率因數(shù)的逆變器變換后將電能)()()( 送入電網(wǎng) 采用結(jié)構(gòu)簡單成本低廉的不可控二極管整 流器 ,發(fā)電機和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡單的直流電機。線電壓的峰值定義為 maxLLV ，直流電壓的值為： m a x6 61 3c o s3 LLL L p e a kdc VdVV ?????? ?? ?? 由上式我們可以得出 1dcV 和線電壓 LLV ，交流側(cè)相電壓 gV 之間的關系： ggLLdc VVVV ??? ?? )()()( 由以上公式可以得出 1dcI 和 gI 之間的關系為： gdc II 61 ?? 升壓斬波電路模型分析（ Boost電路） 升壓斬波電路模型如圖所示： 圖 升壓斬波（ Boost）原理圖 假設整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行。該電路之所以能使輸出電壓高于輸入電壓，關鍵在于：一是 電感儲能具有電壓泵升的作用；二是電容0C 數(shù)值較大能使電壓近似穩(wěn)定。 圖 系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)原理圖 網(wǎng)側(cè)逆變器如圖 所示，在靜止三相坐標系中的狀態(tài)方程如下： ????????????????????????????????gCgBgACBACBAvvvLvvvLiiidtd 11 其中： ? ?TCBA iii ：逆變器輸入電流矢量； ? ?TCBA vvv ：逆變器輸出相電壓矢量； ? ?TgCgBgA vvv ：電網(wǎng)相電壓矢量； L ：每相濾波電感的大??； 把上式轉(zhuǎn)換為基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 dq 的方程如下所示： ?????????????????????????????????? gqgdqdqdqd vvLvvLiiiidtd 1100? ? )()()( 其中： ? ：為電網(wǎng)基波角頻率大小 。 在穩(wěn)態(tài)下，我們可以將有功和無功功率的式子 簡化如下所示： ???????dgqqgqivQivP2323 由此我們可以看出：在穩(wěn)態(tài)下，有功 P 和有功電流 qi 成正比，無功功率 Q 與無功電流 di 成正比。 由 于風速 和風向一直處于變化之中 ，風力機的空氣動力 產(chǎn)生的 效率 以 及輸入到傳動鏈的功率 均 發(fā)生 了變化，影響了發(fā)電效率同時會 引起轉(zhuǎn)矩傳動鏈的振蕩，會對電能質(zhì)量和接入電網(wǎng)產(chǎn)生影響， 而這對小電網(wǎng)嚴重來說甚至 會影響其穩(wěn)定性。 由第二章關于風機 特性的論述 我們 可 以 知 道：風速和最優(yōu)角速度是一一對應的關系 ，風機運行在 最優(yōu) 角速度時 會捕獲最多的風能。圖 所示為固定漿距角下風能利用系數(shù)曲線： 圖 固定漿距角下風能利用曲系數(shù)線 )()()( 變漿距風力機是定漿距風力機的改進和發(fā)展，但定漿距風力機特性是變漿距 風力機特性的基本情況，具有代 表意義，是討論最大風能追蹤的依據(jù)，因此本文 將重點討論定漿距風力機及其特性。如圖 3． 3 展示了 一組在不同風速下風力機的輸出 的 機械功率特性曲線。風力機運行在 optP 曲線上將會輸出最大功率 maxP 。功率信號反饋的思想是按照己將風輪的輸出功率和 風 速對應起來。 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制策略 控制系統(tǒng)可以分為兩部分，一部分是發(fā)電機側(cè)的整流器控制，控制目標是將永磁同步發(fā)電機發(fā)出的頻率和電壓幅值均變化的交流 電整流成直流電，將永磁同步發(fā)電機發(fā)出的頻率和電壓幅值均變化的交流 電整流成直流電，控制與永磁同步發(fā)電機間的無功交換；另一部分是電網(wǎng)側(cè)逆變器控制，控制目標是將直流電逆變?yōu)?與電網(wǎng)同頻率、同幅值的交流電，維持直流側(cè)電壓恒定，根據(jù)電網(wǎng)需求實現(xiàn)與電網(wǎng)間的無功交換。 采用結(jié)構(gòu)簡單成本低廉的不可控二極管整流器 ,發(fā)電機和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡單的直流電機 。速度指令根據(jù)最大功率追蹤要求給出，調(diào)節(jié)直流電流 1dci 控制輸入電流改變升壓斬波電路的占空比實現(xiàn) 我們知道 網(wǎng)側(cè)逆變器要在保持直流電壓 Udc 穩(wěn)定的基礎上，使電網(wǎng)側(cè)達到給定的功率因數(shù)。 以電網(wǎng)電壓 a 相峰值點作為旋轉(zhuǎn)角 ? 的起點，同步旋轉(zhuǎn)系 d 軸與電網(wǎng)電壓空間矢量 E 對齊則 qe =0。 gQ 大于 0 時逆變器相對電網(wǎng)呈感性，吸收滯后的無功電流； gQ 小于 0 時逆變器相對電網(wǎng)呈容性，吸 收超前的無功電流 。 在兩相靜止坐標系下，網(wǎng)側(cè)逆變器的方程如下所示： )( ???????????????????iRdtdiLueiRdtdiLuegggg 忽略線路電阻，對（）兩邊取積分得： ????? ????? ????? ? ?? ?????????? ?? ?? iLiLdtudte iLiLdtudteggagaag11 其中： ?? ：電網(wǎng)電壓合成矢量的虛擬磁鏈在α軸的分量； ?? ：電網(wǎng)電壓合成 矢量的虛擬磁鏈在β軸的分量； ?? ：逆變側(cè)輸出電壓合成矢量的虛擬磁鏈在α 軸的分量 ； ?? ：逆變側(cè)輸出電壓合成矢量的虛擬磁鏈在 β軸的分量 ； 選擇合適的截止頻率消除純積分環(huán)節(jié)引入的直流偏移，得到 下式 ： 、 ???????????ccaasusu??????11 ??? ????? iL iLgagaa ????111 a r c t a na r c t a n 其中： 1? ：為電網(wǎng)電壓虛擬磁鏈合成矢量角，電網(wǎng)電壓矢量角： ?901 ???? ； au 和 ?u 由開關函數(shù) aS 、 ?S 和直流電壓 dcU 計算得出，如下所示： ??????????????dccbdcdccbadcaaUSSUSuUSSSUSu)(31)313132(?? 虛擬電網(wǎng)磁鏈定向控制 基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的靜止αβ坐標系和同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標系下各量關系如圖 所示。 ???????????????2/1222/122)(c o s)(s ina r c t a n????????????????aaaae t ???????????????aeddeddaadtddtddtde dtddtddtde?????????????????c o s)c o s(c o s)c o s( 電網(wǎng)電壓估算公式如下所示： ????????????