【導讀】風能作為一種清潔的可再生能源，不僅可以緩解能源危機，而且有利于環(huán)保，目前獲得廣泛應(yīng)用的并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機，但是效。并且由于必須采用升速齒輪箱，系統(tǒng)的可靠性不高。而采用永磁同步發(fā)。電機的直驅(qū)式風力發(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，逐漸成為人們研究的焦點。本文主要針對永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)系統(tǒng)進行建模和仿真。機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。本文通過研究風力機和永磁同步發(fā)電機各自的特性和運。Matlab／Simulink環(huán)境下搭建了整個仿真系統(tǒng)的模型。文章提出了最大風能捕。獲方法，提高了發(fā)電機的效率。對于網(wǎng)側(cè)逆變器的控制，采取了直流電壓環(huán)和無。建模與仿真是研究分析機電系統(tǒng)性能的有效方法和重要手段。我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型永磁直驅(qū)風電機組奠定了理論和試驗基礎(chǔ)。

　　

【正文】 風能利用系數(shù) Cpmax， 若 將不同風 速下的最大功率點連 接 起來就 可以 得到一條最大功率曲線 maxP 。 變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)可以通過控制發(fā)電機輸出功率的辦法，使得在不同風況下，風力機都能運轉(zhuǎn)在最佳的葉尖速比 opt? ，從而跟蹤這條最大功率曲線 optP ，這有效地提高了風輪的風能轉(zhuǎn)換效率。如 圖（ ） 所示，圖中不同風速下風力 機的功率一轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇，每條功 率一轉(zhuǎn)速曲線上最大功率點的連線稱為風力機的最佳功率曲。風力機運行在 optP 曲線上將會輸出最大功率 maxP 。 要保證最大限度 地將捕獲的風能轉(zhuǎn)化為電能，變速風電系統(tǒng)目前一般采用最大功率追蹤控制 (MPPT)算法控制。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。葉尖速比控制的目的是使系統(tǒng)在風速變化時能保持一個最優(yōu)的葉尖速比，以獲得最大功率。功率信號反饋的思想是按照己將風輪的輸出功率和 風 速對應(yīng)起來。按照相應(yīng)的輸出 功率來選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，得到一個恒定的葉尖速比。爬山搜索法則與風輪的空氣動力學特性沒關(guān)系，可用軟件來實現(xiàn)。 本文采用了葉尖速比控制的方法來對捕獲最大風能，將在本文的第四章對其 進行仿真研究。 永磁直驅(qū)風力發(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)電機側(cè)的整流器控制，控制目標是將永磁同步發(fā)電機發(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。 永磁電機發(fā)出的交流電經(jīng)三相二極管不控整流器整流后轉(zhuǎn)換成直流電 ,系統(tǒng)中的直流環(huán)節(jié)采用具有升壓功能的 Boost 變換器 ,逆變器的輸入端與 Boost 變換器的輸出端連接 。 從前級 Boost 變換器來看 ,風能 的變化主要表現(xiàn)為電流的變化 。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 。 由于缺乏勵磁控制 ,永磁電機產(chǎn)生與電機 轉(zhuǎn)速成比例的電動勢 ,為了得到最大風能利用效率 ,轉(zhuǎn)速要根據(jù)風速的變化而變化 。 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 。 （ boost）的系統(tǒng)控制 機側(cè)不控整流后接 boost 升壓斬波控制結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖 不控整流后接 boost 控制結(jié)構(gòu)圖 由前一章節(jié)介紹的 Boost 升壓斬波器數(shù)學模型以及工作原理我們可以得到相關(guān)控制策略， Boost 升壓斬波器的控制采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，包括速度外環(huán)和直流電 流內(nèi)環(huán)。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)達到給定的功率因數(shù)。直流電壓指令值要足夠高以確保開關(guān)管的續(xù)流二極管能夠反向截止；同時其交流側(cè)輸出電壓頻率必須與電網(wǎng)電壓保持一致，通過調(diào)節(jié)逆變器交流輸出電壓的幅值和相位來改變網(wǎng)側(cè)有功和無功的大小。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。電網(wǎng)電壓跌落時，可以修改無功指令對電網(wǎng) 進行無功補償。 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。 du 、 qu 為輸出控制量，穩(wěn)態(tài)時直流量 di 、 qi 微分為零，逆變器方程 如下所示： ??? ??? ???qgedgqqqgedgdd iLiReu iLiReu ? 由上式可見，逆變器 d 軸電流和 q 軸電流之間存在交叉耦合，而且 d 軸通道上還存在電網(wǎng)電壓常值的干擾。這些耦合和擾動會增大控制系統(tǒng)設(shè)計的復雜 )( 性，因此需要前饋解耦。 gP 小于 0 時逆變器工作在能量回饋狀態(tài)，能量從直流側(cè)輸向交流電網(wǎng)，即風電系統(tǒng)正常工作時的狀態(tài)。 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 。此時，網(wǎng)側(cè)逆變器相對應(yīng)于電網(wǎng)的有功功率和無功功率如下所示： ????????????ddqddqgddqqddgieieieQieieieP23)(23 23)(23 雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)要保持直流電壓 Udc 恒定，電壓外環(huán)的輸出為有功電流 id指令值；無功電流 iq由外部給定的無功功率指令值決定，單位功率因數(shù)并網(wǎng)時無功 功率指令值為零，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)見圖 33。 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。估算這臺虛擬電動機的定子磁鏈后，就可以采用異步電機基于定子磁鏈定向的矢量控制 (即虛擬電網(wǎng)磁鏈定向 )，從而省去電網(wǎng)電壓傳感器的使用。 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。 )()()()()( 圖 虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下坐 標系各分量 為了徹底省去網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，利用虛擬電網(wǎng)磁鏈推導電網(wǎng)電壓的過程見式(313)到式 (314)?；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。與電壓矢量定向時恰好相反，虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下， q軸電流對應(yīng)有功成分，其指令值由直流電壓外環(huán)決定；d 軸電流對應(yīng)無功成分，其指令值由外環(huán)無功給定決定。 ???????????????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)風力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真分析 目前在風能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點和熱點集中在風電機組大型化、風力發(fā)電機 組的優(yōu)化設(shè)計分析技術(shù)等方面。而系統(tǒng)建模和分析技術(shù)是風力發(fā)電機組優(yōu)化設(shè)計 分析技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。 風力發(fā)電系統(tǒng)在實際運行當中會存在以下問題：自然風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電場地形地貌等因素的不同而 不同，是 隨機和不可控的，這樣作用在風力機槳葉上的風能也是隨機的和不可控 的，設(shè)計完成后需要對其進行性能分析驗證，以確定是否能夠用于實際；風能的 能量密度相對較低，為了盡可能多的捕獲風能，大型風力發(fā)電機組的葉片直徑大 約在 60m～ lOOm 之間，使得風輪具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，這必然導致振動較大，為了避免振動對風力發(fā)電機組的破壞，需要建立系統(tǒng)分析模型，對振動性能預測；風力發(fā)電機組的并網(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；風力資源豐富的地區(qū)通常在海島和邊遠地區(qū)甚至海上，環(huán)境較為惡劣，這就對風力 發(fā)電機組的系統(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。 所以從這些意義上來講，深入研究風能發(fā)電的系統(tǒng)建模和分析技術(shù)對于風力 發(fā)電核心技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新以及實現(xiàn)風力機品牌國產(chǎn)化具有及其重要意義。 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。對于建模， Simulink 提供了一個圖行化的用戶界面。 Simulink 被廣泛地用于控制系統(tǒng)的仿真。但是 Simulink 不能接受用戶以網(wǎng)絡(luò)表或電路圖形式輸入的電路系統(tǒng)。 PLECS 工具箱擴充． 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。 PLECSI 具箱是基于 MATLAB 的Simulink 為運行環(huán)境，可以與 Simuli nk 并行被使用，也可以作為 Simulink 的一個工具箱，和 Simulink 下的其他模塊并列存在．熟悉 Simulink 的用戶，會很輕松地掌握 PLECS 軟件的編輯原理． PLECS 的使用，有效的提高了 Simulink 的模擬仿真性能．它是專門為電力電子系統(tǒng)的仿真而開發(fā)，但是當用于仿真既含有電路部分又含有復雜的控制方案的系統(tǒng)時，它同樣是一個有效的工 具。 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。 MATLAB 電力電子器件模型使用的是簡化的宏模型，它只要求器件的外特性與實際器件特性基本相符，而沒有考慮器件內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)，屬于系統(tǒng)級模型。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。因此本文采用 MATLAB／ Simulink 對風力發(fā)電系統(tǒng)進行建模與仿真，主要是利用了 Matlab 強大的控制功能和仿真收斂性好等優(yōu)點。 風速的仿真模型 在 Simulink 環(huán)境下搭建風速及其子模塊的仿真模型如圖所示： 圖 風速仿真模型 風力機的仿真模型 風力機是一個能量轉(zhuǎn)換裝置，輸入風能，輸出機械能，輸出的機械能取決于風速和風力機的風能轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)前面所闡述的相關(guān)知識，現(xiàn)將風力機在Simulink 環(huán)境下搭成的模塊及其子模塊的模型如下所示： 圖 風力機外部結(jié)構(gòu)模型 圖 風力機子模塊模型 永磁同步 發(fā)電機的仿真模型 在控制系統(tǒng)的仿真模型中，永磁同步電機的本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程式所搭建的，根據(jù)前面所闡述的相關(guān)知識，現(xiàn)根據(jù)永磁同步發(fā)電機在 dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標下的定子電壓方程在 Simulink 環(huán)境下搭成的模塊模型如下所示： 圖 永磁同步發(fā)電機仿真模塊 升壓斬波電路控制引腳 仿真模型 圖 升壓斬波電路仿真模型 側(cè) PWM 控制引腳仿真模型 圖 網(wǎng)側(cè) PWM 控制引腳仿真模型 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)整體仿 真模型 根據(jù)永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的整體控制框圖，采用 Simulink 工具箱建立基于永磁同步發(fā)電機的直驅(qū)式風電系統(tǒng)的整體仿真模型如圖 所示。其仿真模型主要包括風力機、永磁同步發(fā)電機、機側(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。和網(wǎng)側(cè)控制模塊如圖 4． 7 4． 11所示 ：