【正文】 4/322212/1/122/1c o s2??????????? IFFKiSViNiNiiiiVD 其中： DV ：隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速分量，單位 m/s； i? ：均勻分布的隨機(jī)變量，范圍介于 0 到 2π； NK ：地表粗糙系數(shù)，不同地域數(shù)值不同； F ：擾動范圍，單位為 m178。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是用永久磁鋼制成的，通過對磁極極面形狀的設(shè) 計使其在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布的轉(zhuǎn)子磁場。 永磁同步發(fā)電機(jī)的三相定、轉(zhuǎn)子空間分布如圖 2． 9 所示，三相繞組在空間對稱分布，沿逆時針方向各繞組軸線互差 120 度電角度，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在上述規(guī)定下，定子繞組將產(chǎn)生三相正序電壓。因為電感和電容的數(shù)值都非常大，所以在充放電過程中我們可以認(rèn)為 1dcI 和 2dcV 都保持不變。 在兩相 dq 旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的有功和無功功率如下所示： ?????????)(23)(23dgqqgdqgqdgdivivQivivP 若電網(wǎng)電壓是標(biāo)準(zhǔn)正弦波的話，那么我們可以將 dq 軸分量表示為： ??? ???Vvvgqgd 0 其中： V：是電網(wǎng)相電壓峰值?，F(xiàn)代控制方法主要包括變結(jié)構(gòu)控制、 魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等 等 。 我們可以設(shè)定 一種風(fēng)速，然后取不同的轉(zhuǎn)速計算出相應(yīng)的 ? 值，利用 圖 3． 1 查出 對應(yīng)的 Cp 值，帶入式 (3． 1)和 (3． 2)，即可得到 在 該風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)輸出 的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)速間 關(guān)系曲線。最大功率捕獲的辦法有 3種：葉尖速比控制、功率信號反饋、爬山搜索法。 從前級 Boost 變換器來看 ,風(fēng)能 的變化主要表現(xiàn)為電流的變化 。并網(wǎng)發(fā)電時，三相 VSR 一般工作在單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)，無功指令值為零。 圖 網(wǎng)側(cè)逆變器電網(wǎng)電壓定向控制結(jié)構(gòu) 我們可以 將電網(wǎng)電壓看作氣隙磁場在電動機(jī)定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，網(wǎng)側(cè)濾波電感及其等效電阻看作電動機(jī)定子電感和定子電阻，網(wǎng)側(cè)三 相 VSR 就是一臺虛擬異步電動機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在實際運行當(dāng)中會存在以下問題：自然風(fēng)速的大小和方向隨著 大氣的氣溫、氣壓、濕度、太陽及月亮的活動和風(fēng)電場地形地貌等因素的不同而 不同，是 隨機(jī)和不可控的，這樣作用在風(fēng)力機(jī)槳葉上的風(fēng)能也是隨機(jī)的和不可控 的，設(shè)計完成后需要對其進(jìn)行性能分析驗證，以確定是否能夠用于實際；風(fēng)能的 能量密度相對較低，為了盡可能多的捕獲風(fēng)能，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片直徑大 約在 60m～ lOOm 之間，使得風(fēng)輪具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，這必然導(dǎo)致振動較大，為了避免振動對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞，需要建立系統(tǒng)分析模型，對振動性能預(yù)測；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制都必須經(jīng)過分析和合格后才能用于設(shè)計制造；風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常在海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)甚至海上，環(huán)境較為惡劣，這就對風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求，其可靠性是否滿足要求，必須建立在正確的模型分析基礎(chǔ)上。 MATLAB／ Simulink／ PowerSystemBlockset 模型庫中包含了常用的電力電子器件模型和整流、逆變電路模塊以及相應(yīng)的驅(qū)動模塊，使用這些模塊構(gòu)建和編 輯電力電子電路并仿真是很方便的。其仿真模型主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、 升壓斬波電路 、網(wǎng)側(cè)變流器以及整流、逆變控制器。 PLECS 工具箱擴(kuò)充． Simulink 功能，使我們可以在 Simulink的環(huán)境中以網(wǎng)絡(luò)表的形式建立電路部分的模型。 ???????????????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： ??????????????022daqaeeaeeeeee??????? ??? ??? ???dgeqgeqqgedgd iLiRu iLiRu ?? ?? )()()()( 圖 虛擬電網(wǎng)磁鏈定向控制結(jié)構(gòu) 第 4 章 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真分析 目前在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點和熱點集中在風(fēng)電機(jī)組大型化、風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組的優(yōu)化設(shè)計分析技術(shù)等方面。 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 。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(chǔ)上，使電網(wǎng)側(cè)達(dá)到給定的功率因數(shù)。 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)需求實現(xiàn)與電網(wǎng)間的無功交換。風(fēng)力機(jī)運行在 optP 曲線上將會輸出最大功率 maxP 。圖 所示為固定漿距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線： 圖 固定漿距角下風(fēng)能利用曲系數(shù)線 )()()( 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 將重點討論定漿距風(fēng)力機(jī)及其特性。 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(yán)重來說甚至 會影響其穩(wěn)定性。 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 。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(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)整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行。 我們 做以下假設(shè) ，以便對發(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。 )()()( 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)。本論文采用將四個風(fēng)速分量合成代表現(xiàn)實風(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 粗糙度和擾動范圍，能夠比較全面地模擬 現(xiàn)實 風(fēng)速變化，本文在 進(jìn)行變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)仿真時，將風(fēng)速 的 模型簡化為 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 。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(jìn) 行控制，以達(dá)到最大風(fēng)能追蹤的目的。 第 2 章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行原理和數(shù)學(xué)模型 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行原理 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，常采用增速齒輪箱來提高風(fēng)力機(jī)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(fēng)能的利用率。使用直驅(qū)發(fā)電機(jī)能大大減少發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分組件數(shù)量。機(jī)組單機(jī)容量不斷上升。 可見，在經(jīng)歷了發(fā)展初期 ”一窩蜂式 ”的建設(shè)錯誤之后，我們對風(fēng)電的發(fā)展有了一個科學(xué)的、符合實際情況的認(rèn)識。 20xx 年，是國內(nèi)陸上主流風(fēng)電機(jī)組向更大容量過渡的一年。 我們可以這樣 認(rèn)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(jī)制改革有望在 20xx 年逐一融冰。這意味著全國風(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)市場再次走上發(fā)展快軌前景可期。歐洲 繼續(xù)保持總裝機(jī)容量第一的位置，亞洲 超過 了 北美市場排在第二位。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。從對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化運行的角度上講，需 要對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)檢測和評估，從而優(yōu)化風(fēng)電場的運行和維修，可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我國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。能源與環(huán)境成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。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。 （ 二 〇 一三 年 六 月 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 學(xué)校代碼： 10128 學(xué) 號： 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 業(yè)： 風(fēng) 能 與 動 力 工 程 班 級： 風(fēng) 能 與 動 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， 可帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因此近年來受到各界廣泛關(guān)注，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也 發(fā)展迅猛。并在 Matlab／ Simulink 環(huán)境下搭建了整個仿真系統(tǒng)的模型。在過去 20 年中，全世界能源消耗增長 量高達(dá) 50%，到 2020 年全球能源消耗還將增長 50%100%左右 ，由此所造成的溫室效應(yīng)氣體排放將會增加 45%90%，從而帶來災(zāi)難性后果。據(jù)計算，全國風(fēng)能資源總量約每年 16億千瓦，其中可開發(fā)約為每 年 1． 6 億千瓦。而系統(tǒng)建模與仿真是目前通行的重要手段。丹麥、德國、印度、意大利、日本、西班牙和美國已可生產(chǎn)兆瓦級或 容量 更大型的風(fēng)力機(jī)。風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和風(fēng)輪機(jī)的大型化、高效化、和規(guī)模 化，無疑將降低風(fēng)電價格并推進(jìn)其發(fā)展。 國家發(fā)改委副主任、國家能源局局長劉鐵男在 今年 全國能源工作會議上表示， 20xx 年全國能源重點推進(jìn)八方面工作，其中最大的亮點是提出今年全年風(fēng) 電和 新增裝機(jī) 為 1800 萬千瓦。 更值得一提的是，此次會議首次提出將“研究深化能源體制改革的頂層設(shè)計和總體規(guī)劃，明確改革總體方案、路線圖和時間表，積極開展試點示范”。 20xx 年是自 20xx 年以來年新增并網(wǎng)容量首次超越年新增裝機(jī)容量的一年。 風(fēng)電發(fā)展到現(xiàn)在，產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)首先要以積極的心態(tài)應(yīng)對瓶頸期，都有責(zé)任提高發(fā)展水平，共同維護(hù)行業(yè)的健康、良性發(fā)展。今后采用變槳變速功率調(diào)節(jié)方式的風(fēng)電機(jī)組還會大幅上升，取代落后的定槳恒速功率調(diào)節(jié)方式。風(fēng)力機(jī)的制造正朝著半徑更大、性能更優(yōu)的方向發(fā)展。 運用 Simulink 的建模功能，建立各部分的仿真模型，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證研究，仿真結(jié)果表明了模型的正確性和控制策略的有效性以及撰寫本論文的必要性。其基本原理