【正文】 右 ，由此所造成的溫室效應(yīng)氣體排放將會(huì)增加 45%90%，從而帶來(lái)災(zāi)難性后果。本文基于Simulink 仿真技術(shù)，構(gòu)建了永磁同步發(fā)電機(jī)通用模塊，并進(jìn)行封裝，從而為該種發(fā)電機(jī)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(gè)仿真系統(tǒng)的模型。而采用永磁同步發(fā) 電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)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(diǎn)， 逐漸成為人們研究的焦點(diǎn) 。 （ 二 〇 一三 年 六 月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 學(xué)校代碼： 10128 學(xué) 號(hào)： 20xx20305003 題 目： 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組建模及仿真分析 學(xué) 生 姓 名 ： 孟慶飛 學(xué) 院 ： 電力學(xué)院 系 別： 電力系 專(zhuān) 業(yè)： 風(fēng) 能 與 動(dòng) 力 工 程 班 級(jí)： 風(fēng) 能 與 動(dòng) 力 工 程 09 指 導(dǎo) 教 師 ： 任永峰 教授 摘 要 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，不僅可以緩解能源危機(jī)，而且有利于環(huán)保， 可帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此近年來(lái)受到各界廣泛關(guān)注，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也 發(fā)展迅猛。本文主要針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真 研究。文章提出了最大風(fēng)能捕獲方法，提高了發(fā)電機(jī)的效率。通過(guò)以上研究，為建立具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組奠定了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。能源與環(huán)境成為當(dāng)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(lái)越多的人們認(rèn)識(shí)到以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不符合建設(shè)生態(tài)美麗中國(guó)理念這一事實(shí)。我國(guó)東南沿海島嶼以及西北牧區(qū)、西南山區(qū)嚴(yán)重缺電，但風(fēng)能資源較大，有著發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)良條件。目前 我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)還有各種各樣的問(wèn)題 ， 如 大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)技術(shù) 的 缺乏、研發(fā)基礎(chǔ) 略顯 薄弱、風(fēng)電人才短缺、風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行 、維修、 管理水平低下等。從對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行的角度上講，需 要對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)估，從而優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和維修，可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)外以及國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 全球 風(fēng)能資源分布情況如下圖所示： 圖 1 全球風(fēng)能資源分布簡(jiǎn)圖 （ TWH/A） 面對(duì)資源的短缺以及它所帶來(lái)的威脅，世界上各國(guó)都積極研發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電 的技術(shù)，以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，風(fēng)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(shì)。目前世界上最大 的風(fēng) 機(jī) 容量 為 7． 3 兆瓦，風(fēng)輪直徑為 112 米。 1994 年英國(guó)倫敦海上工程公司的船舶設(shè)計(jì)師托恩就領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)國(guó)際性財(cái)團(tuán)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)計(jì)劃，以使海上風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入商業(yè)經(jīng)營(yíng)。歐洲 繼續(xù)保持總裝機(jī)容量第一的位置，亞洲 超過(guò) 了 北美市場(chǎng)排在第二位。因此，在我國(guó)因地制宜地開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能，不僅可以擴(kuò)大能源，而且有助于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)用電需要，有著現(xiàn)實(shí)的重要意義。這意味著全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)增速同比將有大幅提升，今年全年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)再次走上發(fā)展快軌前景可期。 市場(chǎng)分析認(rèn)為， 1800 萬(wàn)風(fēng)電裝機(jī)目標(biāo)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(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)有望再次提速發(fā)展。 我們可以這樣 認(rèn)為，這意味著自此前電煤價(jià)格市場(chǎng)化改革為起點(diǎn)，以電力體制改革等為代表的一系列能源體制機(jī)制改革有望在 20xx 年逐一融冰。 截止到 20xx 年年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 7532 萬(wàn)千瓦，仍保持總裝機(jī)容量全球第一。 20xx 年，是國(guó)內(nèi)陸上主流風(fēng)電機(jī)組向更大容量過(guò)渡的一年。在風(fēng)電開(kāi)發(fā)方面形成了國(guó)家核準(zhǔn)計(jì)劃管理制度，協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與電網(wǎng)的建設(shè)。 可見(jiàn)，在經(jīng)歷了發(fā)展初期 ”一窩蜂式 ”的建設(shè)錯(cuò)誤之后，我們對(duì)風(fēng)電的發(fā)展有了一個(gè)科學(xué)的、符合實(shí)際情況的認(rèn)識(shí)。變速恒頻方式可通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速追 蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。機(jī)組單機(jī)容量不斷上升。為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性，目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正在向 取消增速機(jī)構(gòu)的由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的趨向發(fā)展，并已在不同功率等級(jí) 的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。使用直驅(qū)發(fā)電機(jī)能大大減少發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、。 第 2 章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理和數(shù)學(xué)模型 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，常采用增速齒輪箱來(lái)提高風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，然而齒輪箱不僅會(huì)產(chǎn) 生噪聲、增加系統(tǒng)故障率，而且會(huì)降低風(fēng)能的利用率。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)成有： 風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電力電子變流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。通過(guò)中間的電力電子變換環(huán)節(jié)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率進(jìn) 行控制，以達(dá)到最大風(fēng)能追蹤的目的。發(fā)電機(jī)無(wú)自帶冷卻風(fēng)扇或外裝冷卻風(fēng)扇，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，提高了整機(jī)組的可靠性和壽命，減少了運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。本論文采用將四個(gè)風(fēng)速分量合成代表現(xiàn)實(shí)風(fēng)速的方法， 這種方法考慮了風(fēng)速 的 隨機(jī)分量分布譜密度、風(fēng)速 的 頻率、地表 的 粗糙度和擾動(dòng)范圍，能夠比較全面地模擬 現(xiàn)實(shí) 風(fēng)速變化，本文在 進(jìn)行變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，將風(fēng)速 的 模型簡(jiǎn)化為 4種典型的風(fēng)速變化情況，即基本風(fēng) AV 、陣風(fēng) BV 、漸變風(fēng) CV 和隨機(jī)風(fēng) DV 。風(fēng)力機(jī)截獲流動(dòng)空氣所具有的動(dòng)能 ,并將風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部份空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能 ,風(fēng)力機(jī)決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出 ,也直接影響機(jī)組能否的安全、可靠并 且穩(wěn)定運(yùn)行。 )()()( 風(fēng)力機(jī)從空 氣中捕獲 的功率如下所示： WWW TP ?? 所以，我們可以將風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩表示如下： ? ???? 2 ),(23 Pww CVRT ? 我們通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為適當(dāng)值，即可使 Cp 值保持最大，從而捕獲最大風(fēng)能，相關(guān)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(shè) ，以便對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模 ： 忽略鐵心磁飽和；忽略發(fā)電機(jī)的齒槽效應(yīng)；轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。直流電經(jīng)過(guò)直流斬波電路升壓 ,再通過(guò)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(jiǎn)單成本低廉的不可控二極管整 流器 ,發(fā)電機(jī)和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡(jiǎn)單的直流電機(jī)。線(xiàn)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(xiàn)電壓 LLV ，交流側(cè)相電壓 gV 之間的關(guān)系： ggLLdc VVVV ??? ?? )()()( 由以上公式可以得出 1dcI 和 gI 之間的關(guān)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(shè)整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。該電路之所以能使輸出電壓高于輸入電壓，關(guān)鍵在于：一是 電感儲(chǔ)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(biāo)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(biāo)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(wú)功功率的式子 簡(jiǎn)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(wú)功功率 Q 與無(wú)功電流 di 成正比。 由 于風(fēng)速 和風(fēng)向一直處于變化之中 ，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力 產(chǎn)生的 效率 以 及輸入到傳動(dòng)鏈的功率 均 發(fā)生 了變化，影響了發(fā)電效率同時(shí)會(huì) 引起轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì)對(duì)電能質(zhì)量和接入電網(wǎng)產(chǎn)生影響， 而這對(duì)小電網(wǎng)嚴(yán)重來(lái)說(shuō)甚至 會(huì)影響其穩(wěn)定性。 由第二章關(guān)于風(fēng)機(jī) 特性的論述 我們 可 以 知 道：風(fēng)速和最優(yōu)角速度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系 ，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在 最優(yōu) 角速度時(shí) 會(huì)捕獲最多的風(fēng)能。圖 所示為固定漿距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線(xiàn)： 圖 固定漿距角下風(fēng)能利用曲系數(shù)線(xiàn) )()()( 變漿距風(fēng)力機(jī)是定漿距風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展，但定漿距風(fēng)力機(jī)特性是變漿距 風(fēng)力機(jī)特性的基本情況，具有代 表意義，是討論最大風(fēng)能追蹤的依據(jù)，因此本文 將重點(diǎn)討論定漿距風(fēng)力機(jī)及其特性。如圖 3． 3 展示了 一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出 的 機(jī)械功率特性曲線(xiàn)。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在 optP 曲線(xiàn)上將會(huì)輸出最大功率 maxP 。功率信號(hào)反饋的思想是按照己將風(fēng)輪的輸出功率和 風(fēng) 速對(duì)應(yīng)起來(lái)。 永磁直驅(qū)風(fēng)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(jī)側(cè)的整流器控制，控制目標(biāo)是將永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)間的無(wú)功交換；另一部分是電網(wǎng)側(cè)逆變器控制，控制目標(biāo)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(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)間的無(wú)功交換。 采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉的不可控二極管整流器 ,發(fā)電機(jī)和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡(jiǎn)單的直流電機(jī) 。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(shí)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(chǔ)上，使電網(wǎng)側(cè)達(dá)到給定的功率因數(shù)。 以電網(wǎng)電壓 a 相峰值點(diǎn)作為旋轉(zhuǎn)角 ? 的起點(diǎn)，同步旋轉(zhuǎn)系 d 軸與電網(wǎng)電壓空間矢量 E 對(duì)齊則 qe =0。 gQ 大于 0 時(shí)逆變器相對(duì)電網(wǎng)呈感性，吸收滯后的無(wú)功電流； gQ 小于 0 時(shí)逆變器相對(duì)電網(wǎng)呈容性，吸 收超前的無(wú)功電流 。 在兩相靜止坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)逆變器的方程如下所示： )( ???????????????????iRdtdiLueiRdtdiLuegggg 忽略線(xiàn)路電阻，對(duì)（）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(kāi)關(guān)函數(shù) aS 、 ?S 和直流電壓 dcU 計(jì)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(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下各量關(guān)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： ????????????