【正文】 。 21 如果逆變器的輸出功率不能與風(fēng)力機(jī)捕獲的能量保持一致，則功率差必然表 現(xiàn)在該裝置的中間直流變換環(huán)節(jié)。在并網(wǎng)前，當(dāng)風(fēng)速和電機(jī)速度 不斷變化時(shí)，此時(shí)逆變器并不以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)，而是希望逆變器輸出 各相電壓跟蹤電網(wǎng)各相電壓為控制目標(biāo)進(jìn)行工作。瞬時(shí)控制方案可以在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)地調(diào)控輸出電壓波形 ,使得供電質(zhì)量大大提高。對(duì)逆變器過載有較好的保護(hù)作用。高層次的作圖包 括 二維 和 三維 的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖。 Simulink 中的模型分析工具包括線 性化工具和調(diào)整工具，這可以從 MATLAB 命令行獲取。 Simulink 提供了一個(gè)圖形化的建模環(huán)境，同過鼠標(biāo)單擊 和拖拉操作進(jìn)行框圖式建模； （ 2）支持非線性； （ 3）支持混合系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中包含連續(xù)采樣時(shí)間和離散采樣時(shí)間； （ 4） MATLAB 與 Simulink 集成在一起，因此，無論何時(shí)再任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶模型。通過仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。除此之外，它還提供了圖形動(dòng)畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個(gè)過程，可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模。得益于其 浮點(diǎn)運(yùn)算單元 ，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并與定點(diǎn) C28x 控制器 軟件兼容 ，從而簡(jiǎn)化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。由于采用電感電流作為內(nèi)環(huán)．因此這種控制方法有輸出限流的功能．即使在輸出短路的情況下．輸出電流也不會(huì)很大，而是被限定在設(shè)定的電流值。 雙環(huán)控制 早些年 ,PWM 逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定 ,這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定 ,不能保證輸出電壓的波形質(zhì)量 ,特別是在非線性負(fù)載 條件下輸出電壓諧波含量大 ,波形失真嚴(yán)重 。無論何種情況，對(duì)于已知的電網(wǎng) 電壓，都可以得到需要逆變器實(shí)現(xiàn)的每相輸出電 壓的波形。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的沖擊。也就是說，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率一直增加時(shí)，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減?。┑姆较虿蛔儯?dāng)風(fēng)力機(jī)的功率減小時(shí)，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng) dω反號(hào)。當(dāng)運(yùn)行至發(fā)電機(jī)功率曲線和最佳功率曲線的交點(diǎn)時(shí)，功率將重新達(dá)到平衡。 （ 1） 葉尖速比控制：葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最佳特性曲線上，這樣在任何風(fēng)速下，都能夠獲得最大功率。該控制的目的是為了控制永磁同步電機(jī)的速度，使其跟隨風(fēng)速的變化，從風(fēng)中捕獲最大風(fēng)能，從而跟隨最佳功率曲線。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下： 32 由 的假設(shè)條件可以得： 33 把式（ 33 代入（ 32）可得： 34 在換向期間，假設(shè)三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為Δ U，通過下式計(jì)算可得： 35 16 把式（ 34）代入（ 35）可得 36 式中 E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位 V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機(jī)相電流 ia， 即 37 假設(shè)在 t=0 時(shí)刻，電流的初始值等于輸出電流平均值 iL，則 38 因此，三相二極管整流橋輸出直流平均電壓為 39 （ BOOST）升壓電路 Boost 控制結(jié)構(gòu)圖 為了最大限度地利用風(fēng)能，使直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個(gè)較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)，即使系統(tǒng)在較低的風(fēng)速時(shí)也可以工作，如果輸出電壓較低，是不可能進(jìn)行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入 DCDC 升壓電路。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉(zhuǎn)換成交流電能后并網(wǎng)。其發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與頻率隨風(fēng)速變化的三相交流電通過三相二極管整流橋整流成直流，經(jīng)過濾波電路之后，使用 DCDC 升壓裝置變換為逆變電路所需要的恒定電壓，通過協(xié)調(diào)各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，達(dá)到捕獲最大風(fēng)能的目的。如圖 26 所示，在 [0， T1]區(qū)間，開關(guān)管 S 處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流 Li 呈線性增長(zhǎng)。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風(fēng)速條件下運(yùn)行，需要使用直流變升壓電路，將電壓變換為逆變裝置所需要電壓，然后并網(wǎng)，以此達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的。 m； B—— 阻力系數(shù)，單位 kg由公式（ 21）可知，為了發(fā)電機(jī)輸出功率平穩(wěn)，減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，則發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)最好是梯形波。同時(shí)，變頻器的使用，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，提高系統(tǒng)的效率。 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)模型 永磁同步電機(jī)概述 在傳統(tǒng)的風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)中，有過許多控制方案，其中包括異步電機(jī)發(fā)電（定槳距型感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型可變電阻感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型雙饋發(fā)電系統(tǒng)、 變槳距型無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)），同步電機(jī)發(fā)電（變槳距電勵(lì)磁同步發(fā)電系統(tǒng)、變 電系統(tǒng)中的應(yīng)用。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、自動(dòng)控制、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程 [2]。本文主要內(nèi)容有 （ 1） 第一章 緒論 概述了風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、及其研究意義，系統(tǒng)主要分類，以及優(yōu)缺點(diǎn)。 IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管，及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)，復(fù)合型電力電子器件，既具有工作 速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。 因此，目前的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般是這種變槳距控制雙饋式風(fēng)力機(jī)，但其主要缺點(diǎn)在于控制方式相對(duì)復(fù)雜，機(jī)組價(jià)格昂貴。 4 圖 11 三相同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋式發(fā)電機(jī)，是變速運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)一種，其模型如圖 12 所示，包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、 PWM 變頻器和直流側(cè)電容器等。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。同等容量的裝機(jī)，海上比陸地上成本增加 60%，但電量增加 50%以上，并且，每向海洋前進(jìn) 10 千米，風(fēng)力發(fā)電量增 加 30%左右，隨著風(fēng)電技術(shù)水平，不斷提高，經(jīng)濟(jì)性也逐漸提高。這些行動(dòng)主要有：承風(fēng)計(jì)劃、雙加工程、國(guó)債風(fēng)電項(xiàng)目、風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目 [4]等。風(fēng)電裝機(jī)超過 100 萬千瓦的國(guó)家已由 2021 年 11 個(gè)增加到 13 個(gè)，其中 8 個(gè)歐洲國(guó)家（德國(guó)、西班牙、意大利、丹麥、英國(guó)、荷蘭、葡萄牙、法國(guó)）、 3 個(gè)亞洲國(guó)家（印度、中國(guó)、日本）和 2 個(gè)美洲國(guó)家（美國(guó)、加拿大）。在各種各樣的選擇中，風(fēng)電也許是最值得考慮的選擇。 21世紀(jì)是科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展世紀(jì)，也將是從化石燃料時(shí)代向具有持續(xù)利用能力可再生能源時(shí)代過渡，如何實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，從而保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國(guó)必須解決問題。而在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，又向著直驅(qū)化方向發(fā)展，但直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)產(chǎn)生的電能存在著電壓幅值和頻率隨風(fēng)速變化、功率不穩(wěn)定等諸多問題。 輸出電壓： 220V177。效率：效率不小于 91％；功率因數(shù)：不低于 。 ACDCAC converter。發(fā)展可再生能源是當(dāng)今世界一個(gè)共同趨勢(shì)，歐盟各國(guó)開始立法提出了 2020 年和 2050 年不同階段可再生能源發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)跟進(jìn)有澳大利亞、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家，甚至還有印度、巴西、泰國(guó)等發(fā)展中國(guó)家。 19 世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫乳_始，探索的風(fēng)力發(fā)電， 研制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直到 20 世紀(jì)70 年代的以前，只有的小型充電用風(fēng)力機(jī)，達(dá)到的實(shí)用階段。 中國(guó)風(fēng)電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)在 20 世紀(jì) 50 年代，就有過研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組活動(dòng)。 2021 年的 2~3MW， 2021 年底 5MW 的風(fēng)機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是， 20 世紀(jì) 80 年代興起一項(xiàng)新能源技術(shù)，一開始就受到世界各國(guó)的高度重視，因而迅速實(shí)現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是隨著計(jì)算機(jī)、電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速 。 近年來隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了“剛性連接”的 問題，采用同步發(fā)電機(jī)方案，又引起了人們的重視。直流側(cè)電容器作用，是維持直流母線電壓恒定。在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速，永磁同步交流電機(jī)產(chǎn)生電能。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)是低速電機(jī)，它能與風(fēng)力機(jī)很好的匹配，風(fēng)力機(jī)可以與永磁發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其它風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機(jī)組結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且降低噪聲；2 該方案在一定程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；可以獨(dú)立設(shè)計(jì)逆變器部分。 （ 4） 第四章 分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的控制策略。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)，低速 永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，其輸出電壓、頻率都隨風(fēng)速的變化而變化，最大能量捕獲系統(tǒng)，是利用電能變化電路及相關(guān)控制技術(shù)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能經(jīng)整流、直流升壓電路、逆變之后，然后并網(wǎng)。 本文主要研究對(duì)象為永磁同步發(fā)電機(jī)，將發(fā)出的三相梯形波通過不可控整流 橋整流為一系列脈動(dòng)較小的平頂波，通過大電感濾波之后，獲得比較平滑的直流 電壓，控制簡(jiǎn)單，可靠性高，這也是本文所以采用此類電機(jī)的主要原因。這就要求發(fā)電機(jī)的在起動(dòng)時(shí)，其起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩要盡量小些，使得風(fēng)力機(jī)盡早切入運(yùn)轉(zhuǎn)。 電磁功率如式（ 21）所示 ccbbae ieieieP a ??? 21 電磁轉(zhuǎn)矩如式（ 22）所示 ree PT ?/? 22 圖 21 三相定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波氣隙磁場(chǎng)，定子三相繞組采用整距集中繞組，由于其氣隙磁密按梯形波分布，因而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波。 從而更加適合在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。 不隔離的直流變換器有 4 種基本的拓?fù)?，它們是降壓式?Buck）變換器、升壓式（ Boost）變換器升降壓式（ Buck/Boost）變換器和 Cuk 變換器等。在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感電流的增量為 在 [T1， T]區(qū)間，開關(guān)管 S 關(guān)斷， iL 經(jīng)過二極管 D 流向輸出側(cè)，電源與電感所儲(chǔ)存的能量給 C 充電，電感上的電壓 Vdc? Vin0 ，故 iL線性衰減，直到 T 時(shí)刻， iL達(dá)到最小值。因此，把發(fā)電機(jī)的輸出功率與斬波電路的占空比區(qū)分開來，理論上推導(dǎo)出通過控制斬波電路的占空比來獲得最大功率。 其缺點(diǎn)在于電流波形不能夠控制，且電力電子器件會(huì)向交流側(cè)注入諧波電流。同時(shí)如果沒有 DCDC 升壓電路， 也會(huì)使系統(tǒng)消耗較高的無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。如圖 34 所示，將調(diào)制信號(hào) u2 與 載波信號(hào) u1 進(jìn)行比較得到開關(guān)控制信號(hào)。 圖 41 （ 2）功率信號(hào)反饋控制 功率信號(hào)反饋控制需要采用查表法或者需要預(yù)先知道轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的輸出功率之間關(guān)系 [43][44]。其控制的基本結(jié)構(gòu)如圖 43 所示。逆變器為正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）整流器，提供固定頻率、可變電壓控制。即如果風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能大于逆變器的輸出功 率，則直流環(huán)節(jié)電壓增加，反之則減小。用電壓傳感器檢測(cè)電網(wǎng)和發(fā)電 機(jī)電壓的頻率、幅值和相位，采用閉環(huán) PI 控制，當(dāng)檢測(cè)到電壓相位完全一致 時(shí)，滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)。其中 ,應(yīng)用較多的有 :電壓?jiǎn)苇h(huán) PID 控制 ,電壓電流雙環(huán)控制 ,滯環(huán)控制 ,重復(fù)控制