【正文】 ，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。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。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。在各種各樣的選擇中，風(fēng)電也許是最值得考慮的選擇。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。 采用電壓環(huán)和電流環(huán)實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制，以提高控制性能；具有過流保護(hù)、輸出過壓、欠壓保護(hù) 。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。 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)。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。直流側(cè)電容器作用，是維持直流母線電壓恒定。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。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)。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)。 從而更加適合在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。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。 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。 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)。其控制的基本結(jié)構(gòu)如圖 43 所示。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。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 ,滑模變結(jié)構(gòu)控制等。可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖。 本文在前面的章節(jié)中己經(jīng)分析了各組成部分的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行特性，按照前 面所述的控制策略為基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容就是基礎(chǔ)上利用 MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)構(gòu)建直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究，并驗(yàn)證該系統(tǒng)控制方法的可行性。 針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制策略及方案在 Matlab 軟件下應(yīng)用 Simulink 來完成的模型搭建和仿真調(diào)試。 TMS320F28335 具有 150MHz 的高速處理能力，具備 32 位浮 點(diǎn)處理單元， 6 個(gè) DMA通道支持 ADC、 McBSP 和 EMIF，有多達(dá) 18 路的 PWM 輸出，其中有 6 路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)， 12 位 16 通道 ADC。因此同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)后， 22 不僅能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而且能向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)電力電子接口的具體要求是： （ 1）在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流； （ 2）具有單位功率因數(shù)或可控制的功率因數(shù)； （ 3）使發(fā)電機(jī)輸 出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化； （ 4）向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率； （ 5）系統(tǒng)控制簡(jiǎn)便； 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)需要滿足一定的條件，即發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和相位分別一致，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)也不例外。在這個(gè)變化過程中，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)將分別沿著風(fēng)速 V2 下的功率曲線軌跡運(yùn)行。通過改變 DCDC 變換電路的占空比，來控制發(fā)電機(jī) — 整流橋部分的端電壓。二極管整流具有功率因數(shù)高，不需要額外的控制電路，增強(qiáng)了可靠性。 圖 23 升壓電路拓?fù)? （ 2）工作原理 本文只研究電感電流連續(xù)情況。 m； LT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位 N中間環(huán)節(jié)采用電力電子變頻裝置，解決了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的剛性耦合的問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的柔性連接。本課題便是在這樣一個(gè)背景下，為了更好地、更有效率地、更安全地利用風(fēng)能，使之轉(zhuǎn)化為人類可以利用的電能，設(shè)計(jì)了一種區(qū)別于，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，新型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。 圖 13 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)電系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)發(fā)出，全部交流電經(jīng)整流 /逆變裝置轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，因此需要采用大功率的電力電子器件。發(fā)電機(jī)定子側(cè)通過功率變換器 與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“柔性連接”，轉(zhuǎn)子側(cè)通過勵(lì)磁控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流以控制 發(fā)電機(jī)定子側(cè)的輸出電壓幅值，構(gòu)成全功率變換器，變速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 。丹麥、德國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)都在，建設(shè)大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。到 2021年底，風(fēng)電發(fā)展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而，化石能源大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也感覺環(huán)境惡化的威脅。 輸出電壓： 220V177。 System modulation。美國(guó) 20 世紀(jì) 30 年代還有許多電網(wǎng)未通達(dá)地方，獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大作用。進(jìn)入試運(yùn)行階段，并已經(jīng)開始 10MW 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研制。普通三相同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示。使用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成，噪聲污染，在低風(fēng)速時(shí)具有更高效率。 （ 5） 第五章 分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案 （ 6） 第六章 作出了仿真驗(yàn)證本文理論部分。在大力開展風(fēng)能利用的今天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量正在不斷增加，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性和效率的要求也在不斷提高，齒輪箱的存在在一定程度上限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展。由參考文獻(xiàn) [16][18]，其等效電路如圖 22 所示。 升壓式（ Boost）變換器 （ 1）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Boost 變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管非隔離直流 變換器。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。所以需要引入 DCDC 升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。功率信號(hào)反饋控制的原理如圖 36 所示。采用絕緣門極雙極性晶體管（ IGBT），該器件是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為 MOSFET，輸出級(jí)為雙極結(jié)型三極晶體管；因此兼有 MOSFET 和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá) 10~40kHz，飽和壓降低， 電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)挕Ｄ孀兛刂剖疽鈭D如圖 46 所示。本文 DSP 選取的是 TMS320F28335。在 Simulink 軟件包中所有模型都是分級(jí)的，可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型。 系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用基于 DSP+CPLD 的雙芯片控制模式。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。輸出電壓與參考正弦基準(zhǔn)比較．誤差信號(hào)經(jīng)過 PI 控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。這就需要控制逆變器的輸出功率， 以及對(duì)直流變換電路的控制，使風(fēng)力機(jī)捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個(gè) 動(dòng)態(tài)平衡。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率 P0，并和 上個(gè)控制周期的風(fēng)力機(jī)功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值 dω反號(hào)，否則保持其符號(hào)不變。該方法在光伏發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的研究。 圖 32 永磁同步電機(jī) a 相 等效圖 在整流期間，由于電感的存在，將會(huì)影響整流電路的平均輸出電壓。 14 第 3 章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析 概述 在本文中，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速 永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。仿真試驗(yàn)證明這種直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調(diào)整率低，輸出紋波小，可以軟起動(dòng)等特點(diǎn)。電力電子技術(shù)為新型控制方案平臺(tái)的建立奠定了基礎(chǔ)，在梯形波永磁同步電機(jī)中，電子功率管的任務(wù)是通過處理并控制電能的形態(tài)和電能的流動(dòng)，向用戶提供適合其負(fù)載的最佳電壓和電流，滿足負(fù)載的需要，以達(dá)到節(jié)約能源或滿足工藝要求的目的。 8 因此，此種結(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之所以引起廣泛的注意，主要是因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)中，可以省去風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 本文主要內(nèi)容及其設(shè)計(jì)思路 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，最重要部分便是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 圖 12 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電研究熱點(diǎn)之一，我國(guó)已有部分地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，開始使用這種發(fā)電系 統(tǒng) [1]。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 [3]，并對(duì)它們優(yōu)缺進(jìn)行了概述。 近年來，和光伏電池配合的，風(fēng) — 光互補(bǔ)系統(tǒng)，容量可達(dá)數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦，能完成給，農(nóng)牧民家庭 ，以及海島、邊防站、通訊臺(tái)站、輸油管道站點(diǎn)等重要設(shè)施，獨(dú)立供電任務(wù)，已逐步得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用 [3]。面對(duì)化石燃料日益枯竭的威脅，人們都在討論后續(xù)能源的續(xù)接問題。 二、進(jìn)度安排及完成時(shí)間： （ 1）第一周至第三周：查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告； （ 2）第四周至第六周：總體方案的確定； （ 3）第七周至第九周：主電路設(shè)計(jì)與 控制電路設(shè)計(jì) ； （ 4）第十周至十二周：參數(shù)計(jì)算 、 元器件的選擇； （ 5）第十三周至第十五周：撰寫設(shè)計(jì)說明書； （ 6）第十六周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 目 錄 摘要 ................................................................................................................................. Abstract ....................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 (5) 提交設(shè)計(jì)說明書和圖紙。 研發(fā)背景及意義 國(guó)際風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電能能變換 轉(zhuǎn)置研究現(xiàn)狀 能源困局不是中國(guó)獨(dú)特的問題，美國(guó)、日本、歐洲和印度都是如此。 70 年代以后發(fā)展較快，在裝機(jī)容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上，都居于世界前列。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)從機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行，發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力，到理想地向電網(wǎng)提供電力最終目標(biāo)。當(dāng)風(fēng)速增大到額定值以上時(shí)，葉片與輪轂間的軸承機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，使葉片槳距角增大，攻角減小，從而減小翼型的升力，達(dá)到控制風(fēng)力機(jī)葉片扭矩和限制風(fēng)機(jī)捕獲的功率。如 Enercon 公司生產(chǎn)的 2MW系列型號(hào) E82 采用變速變槳距無齒輪直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 該系統(tǒng)中采用全功率變頻器，變頻器的容量顯著增加，尤其是對(duì)大容量，風(fēng)力