【正文】 系統(tǒng)總體結構圖 圖 51 為系統(tǒng)實驗平臺原理框圖。 Simulink 提供了一個圖形化的建模環(huán)境，同過鼠標單擊 和拖拉操作進行框圖式建模； （ 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)采樣時間和離散采樣時間； （ 4） MATLAB 與 Simulink 集成在一起，因此，無論何時再任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶模型。通過仿真，驗證了設計的電能變換電路拓撲結構的正確性及控制策略的合理性，為直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。這提供了一個了解模型時如何組成以及它的各個部分時如何相互聯(lián)系的方法。在 Simulink 軟件包中所有模型都是分級的，可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型。 Simulink 中的模型分析工具包括線 性化工具和調整工具，這可以從 MATLAB 命令行獲取。除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個過程，可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模。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，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。新版本的 MATLAB 對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維 曲線 和三維曲面 的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的 光照 處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等）， MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。高層次的作圖包 括 二維 和 三維 的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。得益于其 浮點運算單元 ，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并與定點 C28x 控制器 軟件兼容 ，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。與以往的定點 DSP 相比，該 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外設集成度高，數(shù)據(jù)以及程序 存儲量 大， A/D 轉換更精確快速等。本文 DSP 選取的是 TMS320F28335。對逆變器過載有較好的保護作用。由于采用電感電流作為內環(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．輸出電流也不會很大，而是被限定在設定的電流值。輸出電壓與參考正弦基準比較．誤差信號經(jīng)過 PI 控制器調節(jié)后作為電流內環(huán)基準：內環(huán)為電流環(huán)。目前 ,電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一 ,雙環(huán)控制方案的電流內環(huán)擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬 ,使得逆變器動態(tài)響應加快 ,非線性負載適應能力加強 ,輸出電壓的諧 波含量減小。瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調控輸出電壓波形 ,使得供電質量大大提高。 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量 ,特別是在非線性負載 條件下輸出電壓諧波含量大 ,波形失真嚴重 。整個電網(wǎng)要是無功功率補償?shù)貌粔颍? 會導致電網(wǎng)的電壓下降，這對用戶是很不利的。逆變控制示意圖如圖 46 所示。在并網(wǎng)前，當風速和電機速度 不斷變化時，此時逆變器并不以獲得最大風能為控制目標，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進行工作。無論何種情況，對于已知的電網(wǎng) 電壓，都可以得到需要逆變器實現(xiàn)的每相輸出電 壓的波形。這就需要控制逆變器的輸出功率， 以及對直流變換電路的控制，使風力機捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個 動態(tài)平衡。所以中間直流環(huán) 節(jié)電壓的值可以反映該 裝置的輸出、輸入功率的平衡狀態(tài)。 21 如果逆變器的輸出功率不能與風力機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)。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身產(chǎn)生的沖擊。因此在變速風力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間需要一個電力電子接口，該接口在驟變的風況條件下具有快速的動態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質的電能。采用絕緣門極雙極性晶體管（ IGBT），該器件是一種復合器件，其輸入控制部分為 MOSFET，輸出級為雙極結型三極晶體管；因此兼有 MOSFET 和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，開關速度快，工作頻率可達 10~40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域 寬。其基本示意圖如圖 45所示。也就是說，當風機的功率一直增加時，保持轉速指令增加（或減小）的方向不變，當風力機的功率減小時，原來轉速指令在增加的就要變成減小，原來轉速指令減小的就要變成增加，即將轉速指令的擾動 dω反號。其追蹤最大風能的原理：計算當前風力機的功率 P0，并和上個控制周期的風力機功率比較，如 果功率下降，那么將轉速指令的擾動值 dω反號，否則保持其符號不變。 圖 43 功率反饋控制 （ 3）爬山搜索法 爬山搜索法的基本原理如圖 44 所示。同理，也可以分析風速從高到低變化，最大風能捕獲過程和轉速的調節(jié)過程。當運行至發(fā)電機功率曲線和最佳功率曲線的交點時，功率將重新達到平衡。 19 如果某一時刻風速突然升高到 V2，風力機獲得的功率就會由點 P1 躍變至 P2 由于大的機械慣性作用和控制系統(tǒng)的調節(jié)過程滯后，發(fā)電機的轉速仍然運行ω 1 點，此時風力機捕獲的機械功率大于發(fā)電機輸出的功率，功率的不平衡，將導致發(fā)電機轉速升高。功率信號反饋控制的原理如圖 36 所示。該控制器的結構比較簡單， 要求測量的風速需要與作用在槳葉上的風速有良好的關聯(lián)性。 （ 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，這樣在任何風速下，都能夠獲得最大功率。該方法在光伏發(fā)電領域有廣泛的研究?？刂齐妷簞t由誤差放大器得到，由此可見，通過控制開關占空比即可控制輸出電壓。在 PWM 控制方式中，開關控制信號由比較器產(chǎn)生。該控制的目的是為了控制永磁同步電機的速度，使其跟隨風速的變化，從風中捕獲最大風能，從而跟隨最佳功率曲線。直流變換器的控制電路是由兩部分組成：從三相二極管整流橋整流后變化的直流電壓；另一個是逆變電路前的恒定直流電壓。所以需要引入 DCDC 升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內保持輸出電壓恒定。因而發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過不可控整流后，直流電壓值和轉速也近似成正比，因此當風速較低時，直流電壓會很低；然而風力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的，這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程，進而無法將功率饋入電網(wǎng)。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下： 32 由 的假設條件可以得： 33 把式（ 33 代入（ 32）可得： 34 在換向期間，假設三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為Δ U，通過下式計算可得： 35 16 把式（ 34）代入（ 35）可得 36 式中 E 為感應電動勢，單位 V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機相電流 ia， 即 37 假設在 t=0 時刻，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 控制結構圖 為了最大限度地利用風能，使直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個較寬的風速范圍內，即使系統(tǒng)在較低的風速時也可以工作，如果輸出電壓較低，是不可能進行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入 DCDC 升壓電路。 圖 32 永磁同步電機 a 相等效圖 在整流期間，由于電感的存 在，將會影響整流電路的平均輸出電壓。永磁同步發(fā)電機的輸出直接連接到三相二極管 整流橋，如圖 31 所示。 15 a b ci +i +i =0（ 2）價格低廉，可靠性高。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉換成交流電能后并網(wǎng)。為了實現(xiàn)高效和簡化功率轉換電路，采用永磁體勵磁三相同步發(fā)電機，效率較高 ，產(chǎn)生的交流功率通過三相二極管整流成直流功率。直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。從理論上分析了這種風力發(fā)電系統(tǒng)，其主電路是由發(fā)電機和斬波電路的等效電路組成，發(fā)電機的輸出功率和直流輸出電壓的特性表達式與 斬波電路的占空比以及發(fā)電機的轉速之間成某種函數(shù)關系，其在下文有詳細介紹。其發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構是將發(fā)電機發(fā)出的電壓與頻率隨風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)調各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，達到捕獲最大風能的目的。 14 第 3 章 直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析 概述 在本文中，采用風力機直接驅動低速永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生電能。在 S 截止期間期間，電感電流的減小量為 29 13 穩(wěn)態(tài)工作時， S 導通 期間電感電流的增長量等于 S 截止期間的減小量。 由于輸出濾波電容電壓保持不變，則電感兩端呈現(xiàn)正電壓 UL=Vin－ Vdc，在該 電壓作用下電感中電流 Li 線性増長，直到 T1 時刻， Li 達到最大值。如圖 26 所示，在 [0， T1]區(qū)間，開關管 S 處于導通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流 Li 呈線性增長。通過控制開關管 S 的導通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。 升壓式（ Boost）變換器 （ 1）電路的拓撲結構 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。 帶隔 離的直流變換器有單管的正激式（ forward）和反激式（ flyback），多管的推挽（ pushpull converter）、半橋（ halfbridge）、全橋（ fullbridge）直流變換器等。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風速條件下運行，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)，以此達到提高系統(tǒng)效率的目的。仿真試驗證 明這種直驅式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調整率低，輸出紋波小，可以軟起動等特點。梯形波永磁同步發(fā)電機和同步發(fā)電機相比，具有電壓調整率低、電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點，和直流發(fā)電機相比，具有無機械換向裝置、換向容易、使用壽命長等優(yōu)點。 m； 永磁同步發(fā)電機通過三相整流橋和大電感濾波之后，從整流級輸出測看進去，它不但擁有直流發(fā)電機的電壓波形平穩(wěn)優(yōu)點，而且也具有了壽命長、效率高的特點。 m； B—— 阻力系數(shù)，單位 kg永磁同步電機的電壓方程可用下式 23 表示 由于定子三項繞組對稱，有 ，則 則式（ 23）可以得出 假定 11 27r e L rdJ T T Bdt? ?? ? ? ?aabbcc0 0 i 0 0 i0 0 i 0 0 i 2 60 0 i 0 0 ian s m anbn s m bnc n s m c ne R L L ue R L L p ue R L L u?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?