【正文】 實的重要意義。 市場分析認為， 1800 萬風(fēng)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(fēng)電市場有望再次提速發(fā)展。 截止到 20xx 年年底，我國風(fēng)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。在風(fēng)電開發(fā)方面形成了國家核準計劃管理制度，協(xié)調(diào)風(fēng)電場建設(shè)與電網(wǎng)的建設(shè)。變速恒頻方式可通過調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速追 蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)力機的運行效率。為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率和運行可靠性，目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正在向 取消增速機構(gòu)的由風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 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、。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)成有： 風(fēng)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。發(fā)電機無自帶冷卻風(fēng)扇或外裝冷卻風(fēng)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。風(fēng)力機截獲流動空氣所具有的動能 ,并將風(fēng)力機葉片迎風(fēng)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(fēng)力機決定了整個風(fēng)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。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。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。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。 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。 由第二章關(guān)于風(fēng)機 特性的論述 我們 可 以 知 道：風(fēng)速和最優(yōu)角速度是一一對應(yīng)的關(guān)系 ，風(fēng)機運行在 最優(yōu) 角速度時 會捕獲最多的風(fēng)能。如圖 3． 3 展示了 一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機的輸出 的 機械功率特性曲線。功率信號反饋的思想是按照己將風(fēng)輪的輸出功率和 風(fēng) 速對應(yīng)起來。 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 。 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。 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(guān)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(guān)系如圖 所示。 Simulink 是運行在 MATLAB 環(huán)境中的用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。雖然 MATLAB 的電力電子器件模型較為簡單，但是它開銷的系統(tǒng)資源較少，用于電力電子電路和系統(tǒng)仿真時，出現(xiàn)仿真不收斂的幾率較小。 風(fēng)速的仿真模型 在 Simulink 環(huán)境下搭建風(fēng)速及其子模塊的仿真模型如圖所示： 圖 風(fēng)速仿真模型 風(fēng)力機的仿真模型 風(fēng)力機是一個能量轉(zhuǎn)換裝置，輸入風(fēng)能，輸出機械能，輸出的機械能取決于風(fēng)速和風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)。 Simulink 被廣泛地用于控制系統(tǒng)的仿真?；谔摂M電網(wǎng)磁鏈定向和基于電網(wǎng)電壓定向時的控制結(jié)構(gòu)相似，雙閉環(huán)內(nèi)同樣需要前饋解耦。這些耦合和擾動會增大控制系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜 )( 性，因此需要前饋解耦。 永磁電機和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的 ,因此要通過斬波器或者逆變器控制永磁電機獲得的直流電流實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制從而得到理想的運行速度 。爬山搜索法則與風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性沒關(guān)系，可用軟件來實現(xiàn)。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以通過控制發(fā)電機輸出功率的辦法，使得在不同風(fēng)況下，風(fēng)力機都能運轉(zhuǎn)在最佳的葉尖速比 opt? ，從而跟蹤這條最大功率曲線 optP ，這有效地提高了風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。 風(fēng)力機的機械輸出轉(zhuǎn)矩可表示為： ? ???? 2 ),(23 Pww CVRT ? 風(fēng)力機從風(fēng)中捕獲的功率滿足： WWW TP ?? 其中 Cp 為與槳距角和葉尖速比 成非線性關(guān)系 的功率系數(shù) ，如圖（ ） ，其表達式 可近似由 2個公式表示出來： )()( 圖 pC 和 ? 、 ? 之間曲線的關(guān)系 11)(),(43121 ?????Cp eCCCCC ??? 其中： 10 3 ???? ???? ?C 1162 ?C ?C 54?C ??C 于是 Cp 值可用 如下公式表達出來： ???????? )3( )3(s i n)(),( ???????? ? ???pC 當系統(tǒng)正常工作時， 漿距角 則 通常保持不變， 根據(jù)貝茲 (Betz)理論 ,Cp 的最大值為 。相關(guān)控制策略將在下一章體現(xiàn)。 我們可以得到以下兩個數(shù)學(xué)方程： 11222 1 1dcdcdcdc IVDIV ?????? ?? Ldc RDR 21 )1( ?? 我們可以看出來，直流電壓源連接的升壓斬波器可以表達為占空比 D 的函數(shù)。永磁電機和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的 ,因此要通過斬波器或者逆變器控制永磁電機獲得的直流電流實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制從而得到理想的運行速度。因此， 當負載一定時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場之間的差角一功率角是恒定的，通過折算并保持功率角為 90 度。； ? ：空氣密度，單位為 kg/m179。 系統(tǒng)各部分數(shù)學(xué)模型 風(fēng)電機組以風(fēng)作為原動力，風(fēng)速 則 直接決定了風(fēng)電機組的動態(tài)特性。要實現(xiàn)風(fēng)力機組并網(wǎng)，需要保證機組電壓的幅 值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。 對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分進行了數(shù)學(xué)建模，有風(fēng)速模型、風(fēng)力機模型 軸系模型、永磁式同步發(fā)電機模型、不控整流模型、 Boost 模型、 PWM 模型，提出了網(wǎng)側(cè)相關(guān)控制策略。這樣的變速運行有很多優(yōu)點，比如：縮短驅(qū)動鏈、減小機械應(yīng)力、提高輸出電能質(zhì)量、增加能量捕捉等。采用變槳距功率調(diào)節(jié)方式避免了定槳距功率調(diào)節(jié)方式中超過額定風(fēng)速時 發(fā)電功率下降的缺點。還完善了風(fēng)電功率預(yù)測和調(diào)度、使用預(yù)測數(shù)據(jù)進行發(fā)電計劃安排的機制。 20xx 年新增并網(wǎng)容量 1537 萬千瓦，全國累計并網(wǎng)容量達到 6237 萬千瓦。 IEA 的研究認為，在未來 30 年內(nèi)非水利的可再生能源發(fā)電將比其他任何燃料的發(fā)電 都要增長得快，年增長速度近 6%，在 20xx～ 2030 年間其總發(fā)電量將增加 5 倍，到 2030 年，它將提供世界總電力的 %，其中生物質(zhì)能將占其中的 80%。 隨著我國新能源建設(shè)進度的推進， 風(fēng)能在整個能源產(chǎn)業(yè)當中所占分量越來越大，這 極大 地 促進 了我國 新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從 20xx 年開始，歐洲的海上風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模的起飛。目前歐洲在風(fēng)電的技術(shù)和應(yīng)用 處于 世界 領(lǐng)先 的地位，占全世界風(fēng)電裝機容量的 74％。在進行機組整機或部件設(shè)計時，必須深刻理解各組成部件在可能的工作條件下的力學(xué)、電學(xué)等物理特性要求。 我國地域遼闊，蘊藏著非常豐富的風(fēng)能資源 ，可利用的潛能很大 。s independent intellectual property rights of the new permanent mag directdriven wind turbine. Key word： permanent mag synchronous generators； directdrive Wind power system； maticalmodel； modeling and simulation 目 錄 第 1 章 引言 ................................................................................................................... 6 課題的研究 背景以及研究意義 ............................................................................. 6 課題的研究背景 ....................................................................................... 6 課題研究意義 ............................................................................................. 6 國外以及國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................................................... 7 世界各國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ....................................................................... 7 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 ..................................................................................... 8 風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢 ............................................................................... 10 本論文主要研究工作 ......................................................................................... 12 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 .......................................................... 13 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行原理 .......................................................................... 13 系統(tǒng)各部分數(shù)學(xué)模型 ........................................................................................ 14 風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型 ..................................................................................... 14 風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型 ..................................................................................... 16 軸系數(shù)學(xué)模型 ......................................................................................... 17 永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型 .................................................................... 17 二極管整流電路 ..................................................................................... 20 升壓斬波電路模型分析（ Boost 電路） ..............................................