千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì),千瓦,風(fēng)力,發(fā)電,系統(tǒng),建模,設(shè)計(jì) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)1003班 學(xué)生姓名： 王凱 指導(dǎo)教師： 黃亮 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書 2、不保密囗 。 （請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”） 作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 摘要 人類的生存和發(fā)展離不開能源，能源問題與人類文明的演進(jìn)息息相關(guān)。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗在急驟增長。為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)未來的可持續(xù)發(fā)展與解決化石能源帶來的環(huán)境問題，必須大力發(fā)展新型能源，風(fēng)能就是一種非常清潔的能源。 現(xiàn)在常用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)有雙饋發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，永磁同步直驅(qū)發(fā)電機(jī)相比雙饋發(fā)電機(jī)省去了齒輪箱環(huán)節(jié)，減小了因?yàn)辇X輪箱帶來的機(jī)械損耗和設(shè)備的不穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換效率高，具有優(yōu)越的低電壓穿越能力。本文分析了永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型進(jìn)行仿真。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、變流器模型等。仿真對比了不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；MATLAB仿真；數(shù)學(xué)建模；永磁同步發(fā)電機(jī) Abstract Human can not live without energy, the energy issue is closely linked with the evolution of human civilization. With the social and economic development, energy consumption grow rapidly. In order to achieve the sustainable development of human society in the future and solve the environmental problems caused by fossil fuels, we must vigorously develop new energy sources, wind energy is a very clean source of energy. Now doubly-fed generator and direct-drive permanent magnet synchronous generator are commonly used in wind power generation system.Compared to doubly-fed generator,direct-drive permanent magnet synchronous generator eliminates the gearbox links, mechanical instability and loss of power reduced because of gearbox’s elimination.Besides,direct-drive permanent magnet synchronous generator brings high conversion efficiency, with superior low-voltage ride-through capability. This paper analyzes how direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine works, and builds mathematical model,simulation model in MATLAB/SIMULINK of each part of wind power system. Wind system simulation model includes wind model, wind turbine model, generator model, rectifiers model. The simulation compares the characteristics of the wind turbine under different wind speed. Key words:wind power generation； MATLAB simulation； mathematical model； permanent magnet synchronous generator 目錄 第1章 緒論 1 1.1 風(fēng)力發(fā)電研究的目的及意義 1 1.2 國內(nèi)外小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 1 1.3 發(fā)展我國小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件 2 1.4 論文主要研究內(nèi)容 2 第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 4 2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類 4 2.1.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 4 2.1.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 5 2.1.3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 5 2.2 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù) 6 2.2.1 風(fēng)輪直徑與掃掠面積 7 2.2.2 輪轂高度 8 2.2.3 葉片數(shù) 8 2.2.4 額定風(fēng)速、切入風(fēng)速和切出風(fēng)速 8 2.2.5 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比 9 第3章 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 10 3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 10 3.2 風(fēng)速模型 10 3.3 風(fēng)力機(jī)模型 11 3.4 永磁同步發(fā)電機(jī)模型 12 3.5 變流器模型 13 3.5.1 不可控整流器+BOOST電路+PWM逆變器 13 3.5.2 PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器 14 第4章 系統(tǒng)MATLAB建模與仿真 15 4.1 系統(tǒng)仿真模塊設(shè)計(jì) 15 4.1.1 風(fēng)速仿真模型 15 4.1.2 風(fēng)力機(jī)仿真模型 16 4.1.3 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)模型 17 4.2 仿真參數(shù)設(shè)定 17 4.2.1 風(fēng)速仿真模型參數(shù) 17 4.2.2 風(fēng)力機(jī)仿真模型參數(shù) 18 4.2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)仿真模型參數(shù) 18 4.2.4 變流器仿真模型參數(shù) 19 4.3 仿真結(jié)果及分析 20 4.4 本章小結(jié) 22 第5章 總結(jié)與展望 23 5.1全文總結(jié) 23 5.2課題展望 23 參考文獻(xiàn) 24 致謝 25 IV 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論 1.1 風(fēng)力發(fā)電研究的目的及意義 國際電工委員會(huì)（IEC）針對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最新標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-2定義的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，適用于風(fēng)輪掃掠面積小于200m2，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)[1]。 隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要[2]。 在當(dāng)前能源緊缺的環(huán)境下，風(fēng)能利用是受國內(nèi)外廣泛重視的新能源項(xiàng)目之一，其最大的優(yōu)點(diǎn)是在目前多種新能源利用中相對制造成本價(jià)格是最低的。現(xiàn)在的流行方式是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的形式，然而投資巨大，動(dòng)輒幾十個(gè)億、幾百個(gè)億的投入額度，令普通的中小投資者望而生畏。 本次設(shè)計(jì)主要研究小型家用千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電裝置，這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛使用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村。該研究有利于優(yōu)化未來的能源利用模式。在21世紀(jì)這個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代，無論是工業(yè)、科技都在不斷進(jìn)步著，隨之而來的是對能源的巨大需求。風(fēng)力發(fā)電這一可再生能源的利用方式能很好地適用這種需求。而作為新興技術(shù)，也有著較大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。 1.2 國內(nèi)外小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 小型風(fēng)力機(jī)械已經(jīng)有幾十年的歷史，是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，最早流行于20世紀(jì)初的小農(nóng)場、小牧場中，大多數(shù)用于風(fēng)力機(jī)械提水。在美國農(nóng)村大規(guī)模電氣化項(xiàng)目啟動(dòng)前，許多農(nóng)場安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為自己供電。但是小型風(fēng)能設(shè)備的普及率，在美國經(jīng)濟(jì)衰退期間和第二次世界大戰(zhàn)后農(nóng)村大規(guī)模電氣化項(xiàng)目啟動(dòng)后有所降低。最近幾年，由于相當(dāng)一部分人搬到農(nóng)村沒有電網(wǎng)的地區(qū)居住，以及其他激勵(lì)政策的陸續(xù)出臺(tái)，小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)再次興旺起來。 雖然小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在持續(xù)的發(fā)展，但遠(yuǎn)沒有大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)那么迅速。到目前為止，全球100w-100kw的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)量為650000-700000臺(tái)，裝機(jī)容量為200-280mw。最成功的案例是應(yīng)用于分散家庭的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，功率往往僅幾百瓦。最大的市場是我國內(nèi)蒙古的戶用系統(tǒng)，也包括一些較大容量為村落供電的風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量為1-50kw。同時(shí)，還有大量的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被應(yīng)用到了移動(dòng)通信基站[3]。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)和研發(fā)主要集中在北美、歐洲、和亞洲，而應(yīng)用幾乎遍及全世界。處于小型風(fēng)力發(fā)電市場領(lǐng)導(dǎo)地位的生產(chǎn)企業(yè)有northern power公司（美國）、energrity公司（加拿大）和bergey windpower公司（美國）等。 在美國和歐洲，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有70%-80%是并網(wǎng)使用的，并且這一比例正在不斷上升，單機(jī)功率較大，一般至少在5kw以上。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場更多見于離網(wǎng)和微型電網(wǎng)應(yīng)用盛行的發(fā)展中國家。在電網(wǎng)無法延伸的地方，即使沒有附加政策的支持，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也往往是經(jīng)濟(jì)可行的，比如在一些孤立的海島上。小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展也部分或者全部替代高價(jià)燃油、破壞環(huán)境的柴油發(fā)電系統(tǒng)提供可行的替代能源方案。 全球5個(gè)主要國家（中國、美國、英國、加拿大和德國）的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造廠商占總數(shù)的50%以上。在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商在世界的分布方面，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍集中在北美和歐洲的發(fā)達(dá)國家，發(fā)展中國家仍繼續(xù)呈現(xiàn)相對緩慢的發(fā)展。具有豐富的風(fēng)力資源的非洲、東南亞和南美等這些非常適合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的地區(qū)還未被開發(fā)[4]。 1.3 發(fā)展我國小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件 我國具有發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件。1）我國是世界上小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)大國。世界上2/3的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由我國生產(chǎn)制造的，生產(chǎn)成本具有優(yōu)勢。2）風(fēng)力發(fā)電與其他可再生能源技術(shù)不同，我國擁有生產(chǎn)和研發(fā)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自有技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，與國際上的先進(jìn)水平差距不大，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不會(huì)受制于別國的技術(shù)。3）小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備規(guī)格較為齊全，性能較為可靠。我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)100w-30kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，且設(shè)備的可靠性較高，能夠滿足國內(nèi)各類應(yīng)用場合的需要。同時(shí)，我國也已經(jīng)研制出50kw和100kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并開始小批量制造和投入市場，為在我國各領(lǐng)域大量應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4）我國從20世紀(jì)80年代初期就開始批量應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從內(nèi)蒙古草原逐步擴(kuò)展到三北地區(qū)、沿海地區(qū)和湖區(qū)，從邊遠(yuǎn)無電地區(qū)的應(yīng)用擴(kuò)展到通信基站、油田抽油機(jī)、城鎮(zhèn)道路路燈等應(yīng)用，已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為今后的成功應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5）產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模已經(jīng)基本形成。我國擁有世界上最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造企業(yè)，所有的零部件生產(chǎn)和供應(yīng)基本上都能立足于國內(nèi)，并有一定的研發(fā)能力。6）我國有豐富的風(fēng)力資源，10m高度的技術(shù)可利用風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.53億千瓦。對于中小型機(jī)組來說，我國的風(fēng)力資源非常豐富，潛在市場巨大[5]。 1.4 論文主要研究內(nèi)容 本文以獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，本文的工作重點(diǎn)是了解風(fēng)力發(fā)電原理，選擇某地全年氣象信息建立風(fēng)速模型,從異步電機(jī)、同步電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)中選取一種適合千瓦級(jí)發(fā)電的發(fā)電機(jī)建立電機(jī)模型，基于matlab軟件建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型。本文的主要研究內(nèi)容如下： 第一章， 闡述了離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電這個(gè)課題提出的背景、目的和意義，介紹了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況以及我國發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件，概括總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并簡述了本文的研究內(nèi)容； 第二章， 論述小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及工作原理。介紹了目前比較常見的風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)。包括恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對各種發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了比較； 第三章，根據(jù)當(dāng)?shù)厝隁庀蠼L(fēng)速模型；查找風(fēng)輪資料建立風(fēng)力機(jī)模型；了解風(fēng)力發(fā)電原理，從異步電機(jī)、同步電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)中選取一種適合千瓦級(jí)發(fā)電的發(fā)電機(jī)建立電機(jī)模型； 第四章，對風(fēng)力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了全面的分析，說明了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部風(fēng)最通用的模型，對各個(gè)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用 MATLAB 軟件進(jìn)行了各模塊的建模，對建好的模型進(jìn)行仿真，同時(shí)對仿真出的結(jié)果進(jìn)行分析、評價(jià)； 第五章，總結(jié)全文的主要工作,并對課題的下一步研究工作進(jìn)行展望,指出有待改進(jìn)以及可以進(jìn)行進(jìn)一步研究的內(nèi)容。 第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類 按風(fēng)力機(jī)容量來分，主要有三種：一是小型單個(gè)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般運(yùn)用于較為偏遠(yuǎn)、人口稀少的地區(qū)，風(fēng)機(jī)的容量較小，一般在幾十到幾百千瓦之間，相對于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，供電穩(wěn)定性較低；二是區(qū)域性的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由多臺(tái)風(fēng)力機(jī)發(fā)電并供給一小片區(qū)域住戶用電；三是大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，大型風(fēng)場建立在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，將發(fā)出來的電能通過電網(wǎng)供給用戶[6]。 按葉輪旋轉(zhuǎn)的方式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)的早期，人們普遍認(rèn)為水平軸風(fēng)力發(fā)電較垂直軸風(fēng)力發(fā)電有更高的風(fēng)能利用率，因而對水平軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究較多；后來隨著研究的深入和新型葉輪形式的出現(xiàn)，人們慢慢認(rèn)識(shí)到有些垂直軸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅葉尖速比能達(dá)到1，甚至還能達(dá)到6，變逐漸對垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生了新的興趣[7]。 按發(fā)電機(jī)類型來分又可分為以下幾種：鼠籠型異步發(fā)電系統(tǒng)、繞線式異步發(fā)電系統(tǒng)、雙饋型發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)以及永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。其中雙饋型發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)如今最常見的兩種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)。 在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的早期階段由于電力電子技術(shù)的限制，人們對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究主要集中于恒速恒頻型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，即發(fā)出固定頻率的電能必須要在風(fēng)速合適的情況下。這種恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對風(fēng)能利用效率低，平均工作時(shí)間短。近年來，控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)得到飛速的發(fā)展，進(jìn)而提出了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在變化風(fēng)速的情況下，通過對葉輪迎風(fēng)角或電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)恒定功率的電能輸出。本文只是進(jìn)行簡單的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，沒有涉及到控制部分的內(nèi)容。 2.1.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 在恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)力發(fā)電時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變,這樣就得到了和電網(wǎng)頻率一樣的恒定的電能。恒速恒頻系統(tǒng)比較簡單,它的發(fā)電機(jī)一般為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是由電機(jī)極對數(shù)和頻率確定的,而鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速。早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是采用普通三相同步發(fā)電機(jī),同步發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以向電網(wǎng)或負(fù)載提供無功功率,頻率穩(wěn)定,而且電能質(zhì)量高,可省去無功補(bǔ)償裝置。但在實(shí)際利用中，風(fēng)速的變化是隨機(jī)的,因此，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定,同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)又比較復(fù)雜,并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度,成本較高,所以用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用效果不是很好[8]。 2.1.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 為了解決恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)能利用系數(shù)不高等問題，在上世紀(jì)七十年代提出了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展成熟，以及高性能電力電子器件的出現(xiàn)，為風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)變速恒頻工作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。變速恒頻技術(shù)能夠根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在最佳也尖速比左右，實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能捕獲。實(shí)現(xiàn)變速恒頻的技術(shù)主要有兩個(gè)：一個(gè)是變槳矩控制，另一個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。 早期變速恒頻的實(shí)現(xiàn)方法主要是通過變槳矩來實(shí)現(xiàn)，通過不同風(fēng)速下調(diào)整葉片的攻角來改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法對葉片的技術(shù)要求較高，葉片需要進(jìn)行復(fù)雜的氣動(dòng)特性分析和設(shè)計(jì)，葉片制造成本較高。同時(shí)葉片的攻角的改變損失了部分風(fēng)能，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的最大化。通過對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制來達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法是如今變速恒頻研究的熱點(diǎn)。這種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分成兩大類： 一種是發(fā)電機(jī)定子和電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過電力電子變流器和電網(wǎng)相連的雙饋系統(tǒng)；另一種是通過電力電子變流器直接和電網(wǎng)相連的交-直-交系統(tǒng)[9]。 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)又可分為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電和無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電中一種重要的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，而異步電機(jī)和普通同步電機(jī)需要在轉(zhuǎn)速較高時(shí)才能有良好的工作特性，因而這種系統(tǒng)需要齒輪箱對葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行變比，然后與發(fā)電機(jī)相連發(fā)電。齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)都帶來了較多問題。 交直交變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)的種類大致可以分成異步型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。鼠籠型異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實(shí)耐用。它的定子經(jīng)過變流器和電網(wǎng)相連，通過控制變流器的電流和功率等因素來實(shí)現(xiàn)對機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速控制和網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)控制。這種結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)方面的問題，一方面是上面所提到的齒輪箱的問題，另一方面由于全部的能量都需要經(jīng)過變流器送入電網(wǎng)，對變流器的功率和耐壓等級(jí)都較高，需要大容量的變流器。 2.1.3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 隨著電力電子控制技術(shù)以及更高電壓電流等級(jí)開關(guān)器件的出現(xiàn)，大容量變流器的研制中遇到的困難日漸解決。這為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。本文著重對無齒輪箱的永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。永磁同步電機(jī)的低速特性良好，無需齒輪箱就能實(shí)現(xiàn)較好的風(fēng)能捕獲和利用。減少了齒輪箱環(huán)節(jié)后，一方面減少了齒輪箱可能給系統(tǒng)帶來的影響，另一方面降低了在齒輪箱上的功率傳遞損耗，提高了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用率。 風(fēng)力機(jī)是低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，一般運(yùn)行在每分鐘幾十轉(zhuǎn)，而發(fā)電機(jī)要保證發(fā)出50Hz的交流電，如采用4級(jí)發(fā)電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，所以大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間裝有增速齒輪箱，借助齒輪箱提高轉(zhuǎn)速。如果風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)取消增速機(jī)構(gòu)，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，則必須應(yīng)用低速交流發(fā)電機(jī)。 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種由風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)的低速發(fā)電機(jī)。采用無齒輪箱的直驅(qū)發(fā)電機(jī)雖然提高了發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)成本，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率以及運(yùn)行可靠性，可以避免增速箱帶來的諸多不利，降低了噪聲和機(jī)械損失，從而降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，這種發(fā)電機(jī)在大型風(fēng)電機(jī)組中占有一定的比例。因發(fā)電機(jī)工作在較低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)子極對數(shù)較多，故發(fā)電機(jī)的直徑較大、結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。目前在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中多使用低速多極永磁發(fā)電機(jī)。 直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)與雙饋式風(fēng)機(jī)相比主要優(yōu)勢如下表[10]。 表2.1 直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)比較表 性能 永磁直驅(qū)式與雙饋式風(fēng)機(jī)比較 分析 電網(wǎng)兼容性 永磁風(fēng)機(jī)更強(qiáng) 具有優(yōu)越的低電壓穿越能力，可在電網(wǎng)干擾期間內(nèi)保持接入電網(wǎng)。 可靠性 永磁風(fēng)機(jī)更可靠 直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)省去了齒輪箱及其部件，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性。 防護(hù) 等級(jí) 永磁風(fēng)機(jī)更高 機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪轂采用內(nèi)正壓技術(shù)，可有效防止潮濕、鹽霧、沙塵的進(jìn)入，防護(hù)等級(jí)高。 發(fā)電 效率 永磁風(fēng)機(jī)更高 采用葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，無需電勵(lì)磁，減少了電能損耗；同時(shí)，沒有齒輪箱等中間部件，傳動(dòng)鏈短，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率。 維護(hù) 成本 永磁風(fēng)機(jī)較低 采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)，減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件數(shù)量，避免了齒輪箱油的定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)的成本。 2.2 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù) 風(fēng)電機(jī)組的性能和技術(shù)規(guī)格可以通過一些主要參數(shù)反映，如下表，以某型號(hào)1.5MW機(jī)組為例列出了其主要技術(shù)參數(shù)[1]。 表2.2 某型號(hào)1.5MW機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 額定功率/kw 1500 齒輪箱結(jié)構(gòu)形式 一級(jí)行星輪+兩級(jí)平行軸斜齒圓柱齒輪 轉(zhuǎn)子直徑/m 77 變槳距控制方式 獨(dú)立電動(dòng)變槳距控制 塔架高度/m 65 制動(dòng)方式 獨(dú)立葉片變槳距控制+盤制動(dòng) 切入風(fēng)速/(m/s) 3 偏航控制系統(tǒng) 四個(gè)電動(dòng)齒輪電機(jī) 額定風(fēng)速/(m/s) 12 發(fā)電機(jī)類型 感應(yīng)式帶集電環(huán)發(fā)電機(jī) 切出風(fēng)速/(m/s) 20 發(fā)電機(jī)極對數(shù) 4 轉(zhuǎn)子 上風(fēng)向、順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 額定功率/kw 1500 葉片數(shù) 3 功率因數(shù) 0.9-1.0 偏角/度 4 電網(wǎng)連接 通過變流器 轉(zhuǎn)速范圍/（r/min） 11-20 塔架 錐形鋼筒塔架 2.2.1 風(fēng)輪直徑與掃掠面積 風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的外圓直徑，用D表示。風(fēng)輪直徑大小決定了風(fēng)輪掃掠面積的大小以及葉片的長度，是影響機(jī)組容量大小和機(jī)組性價(jià)比的主要因素之一。 根據(jù)貝茨理論，風(fēng)輪從自然風(fēng)中獲取的功率為[1] （2.1） 式中，S為風(fēng)輪的掃掠面積， （2.2） 式（2.2）表明，風(fēng)輪直徑D增加，則其掃掠面積與成比例增加，其獲取的風(fēng)功率也相應(yīng)增加。早期的風(fēng)電機(jī)組直徑很小，額定功率也相對較低，大型兆瓦機(jī)組的風(fēng)輪直徑在70-80m范圍，目前已有風(fēng)輪直徑超過100m、額定功率超過若干兆瓦的風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。 2.2.2 輪轂高度 風(fēng)輪高度是指風(fēng)輪輪轂中心離地面的高度，也是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，由于風(fēng)剪切特性，離地面越高，風(fēng)速越大，具有的風(fēng)能也越大，因此大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢是輪轂高度越來越高。但是輪轂高度增加，所需要的塔架高度也相應(yīng)增加，當(dāng)塔架高度達(dá)到一定水平時(shí)，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝等方面都將產(chǎn)生新的問題，也導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組成本相應(yīng)增加。 2.2.3 葉片數(shù) 風(fēng)輪葉片數(shù)是組成風(fēng)輪的葉片個(gè)數(shù)，用B表示。選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要考慮風(fēng)電機(jī)組的性能和載荷、風(fēng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)的成本、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲及景觀效果等因素。 采用不同的葉片數(shù)，對風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生不同的影響?，F(xiàn)代水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的功率系數(shù)比垂直軸風(fēng)輪高，其中三葉片風(fēng)輪的功率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47,對應(yīng)葉尖速比約為7。 雙葉片和單葉片風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率略低，其最大功率系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比也高于三葉片風(fēng)輪，即在相同風(fēng)速條件下，葉片數(shù)越少，風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高，因此有時(shí)也將單葉片和雙葉片風(fēng)輪稱為告訴風(fēng)輪。相比之下，多葉片風(fēng)車的最佳葉尖速比較低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以很慢，因此也稱為慢速風(fēng)輪。當(dāng)然，多葉片風(fēng)輪由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組。 風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。因此用于衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能的另一個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它定義為功率系數(shù)除以葉尖速比。 從上述分析看，三葉片風(fēng)輪的性能比較好，目前，水平軸風(fēng)電機(jī)組一般采用兩葉片或三葉片風(fēng)輪，其中以三葉片風(fēng)輪為主。 2.2.4 額定風(fēng)速、切入風(fēng)速和切出風(fēng)速 風(fēng)電系統(tǒng)輸出的電功率與機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)速密切相關(guān)，所謂設(shè)計(jì)風(fēng)速一本包括額定風(fēng)速、切入風(fēng)速和切出風(fēng)速。 額定風(fēng)速是指風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定功率對應(yīng)的風(fēng)速，額定風(fēng)速的大小直接影響機(jī)組的總體構(gòu)成和成本。額定風(fēng)速取決于風(fēng)電機(jī)組所在區(qū)域的風(fēng)能資源分布，需要事先掌握平均風(fēng)速及其出現(xiàn)的頻率?？梢詤⒄诊L(fēng)速條件，按一定的原則評估額定風(fēng)速。 切入風(fēng)速和切出風(fēng)速也是反映機(jī)組功能的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，切入風(fēng)速指風(fēng)電機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風(fēng)速，決定了機(jī)組在低風(fēng)速條件下的性能。切出風(fēng)速則主要用于在極端風(fēng)速條件下，對機(jī)組進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速時(shí)，機(jī)組將實(shí)施制動(dòng)停機(jī)。 2.2.5 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比 葉尖速比是描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個(gè)重要的無量綱量，定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，即 （2.3） 式中，R為風(fēng)輪的最大旋轉(zhuǎn)半徑，或葉尖半徑（m）；為風(fēng)輪角速度（rad/s）；為風(fēng)速（m/s）。 圖2.1 定槳距風(fēng)力機(jī)性能曲線 對于特定的風(fēng)輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線確定，如圖（2.1）中三葉片風(fēng)輪的曲線，形狀如同一個(gè)山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能最多，對應(yīng)的葉尖速比值成為最佳葉尖速比。風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能的多吸收風(fēng)能，因此在低于額定風(fēng)速的區(qū)域，希望使風(fēng)輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風(fēng)速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使之與風(fēng)速變化匹配。對于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制有恒速、雙速和變速控制等多種方式，相關(guān)內(nèi)容見本章2.1節(jié)。 第3章 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 新型的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，通過功率變換電路直接并入電網(wǎng)。本文研究的是離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真，所以不需要接入電網(wǎng)，只需將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流即可。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包含風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電力電子變流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。 圖3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)通過軸系直接耦合，使系統(tǒng)的可靠性得到提高，由于不存在齒輪箱連接部件，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲，也使發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作量大大降低。風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整流，濾波后逆變，最后送給用戶，整流后還可給蓄電池組充電備用。本文只需考慮逆變之前的部分,同時(shí)由于能力及所學(xué)知識(shí)有限，控制電路部分沒有進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 3.2 風(fēng)速模型 由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，本文中的風(fēng)速模型采用四分量疊加法的風(fēng)速模型，即基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)這四種風(fēng)速[13]?；撅L(fēng)即為年平均風(fēng)速。陣風(fēng)描述的是風(fēng)速突然變化的情況，陣風(fēng)數(shù)學(xué)模型為 （3.1） 漸變風(fēng)描述的是風(fēng)的漸變特性，其數(shù)學(xué)模型為 （3.2） 隨機(jī)風(fēng)模擬的是風(fēng)速變化的隨機(jī)特性，在建模時(shí)用隨機(jī)數(shù)代替。 3.3 風(fēng)力機(jī)模型 風(fēng)力機(jī)是用來捕捉風(fēng)能 并將捕捉到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其捕捉風(fēng)能的多少?zèng)Q定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功出力的多少。 風(fēng)力機(jī)基本特性，即風(fēng)輪的空氣動(dòng)力特性，通常由一簇包含風(fēng)能利用系數(shù)和葉尖速比的無因次性能曲線來表達(dá)。葉尖速比可以表示為 （3.3） 式中，為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪角速度（rad/s）；為葉片半徑（m）；為主導(dǎo)風(fēng)速（m/s）。 代表了風(fēng)輪從風(fēng)能中吸收功率的能力，它是葉尖速比和漿距角的高階非線性函數(shù)，理論研究中可采用以下函數(shù)計(jì)算： （3.4） （3.5） 根據(jù)式(3.4),（3.5）風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比變化的曲線如圖（3.2）所示。 圖3.2 風(fēng)力機(jī)性能曲線 可以看出曲線對槳距角的變化規(guī)律：當(dāng)葉片槳距角逐漸增大時(shí)，曲線將顯著的縮小。如果保持槳距角不變，用一條曲線就能描述出它作為的函數(shù)的性能和表示從風(fēng)能中獲取的最大功率。 一臺(tái)風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)輪機(jī)，在風(fēng)速為v時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械功率為 （3.6） 機(jī)械轉(zhuǎn)矩為 （3.7） 式中，ρ為空氣密度（）；為風(fēng)輪半徑（m）;為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù);為槳距角；為風(fēng)速。 3.4 永磁同步發(fā)電機(jī)模型 永磁同步發(fā)電機(jī)不需要電勵(lì)磁，具有效率高、運(yùn)行可靠、噪聲小，維護(hù)量小、風(fēng)速適應(yīng)范圍寬，控制簡單、有功和無功控制靈活等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中越來越受到歡迎。 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪機(jī)與低速永磁發(fā)電機(jī)軸直接結(jié)合在一起，風(fēng)速隨機(jī)性變化，然后風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟著變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化。 為了簡化永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)永磁同步發(fā)電機(jī)為理想電機(jī)[14]： 1） 忽略發(fā)電機(jī)鐵芯的飽和； 2） 轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，忽略發(fā)電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗； 3） 不考慮在不考慮在電機(jī)運(yùn)行時(shí)永磁體磁鏈會(huì)受到外界條件的影響,也就是說,認(rèn)為永磁體工作時(shí)的磁鏈為一固定常數(shù),且永磁體在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是正弦。 為了分析永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸建立起數(shù)學(xué)模型如下 電壓方程 （3.8） 磁鏈方程 （3.9） 電磁轉(zhuǎn)矩方程 式中，、分別為電機(jī)端電壓軸分量；、分別為定子磁鏈軸分量；、分別為定子電流軸分量；為發(fā)電機(jī)中永磁體建立的磁鏈幅值；、分別為軸同步電感；為電角速度；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)。 由上面給出的公式可知，永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子q軸電流成正比，調(diào)節(jié)電流即可調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，是永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)達(dá)到最佳輸出狀態(tài)。在MATLAB仿真平臺(tái)中有封裝好的模塊，直接調(diào)用即可。 3.5 變流器模型 根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為以下幾種:1)不可控整流器+晶閘管逆變器;2)不可控整流器+PWM逆變器;3)不可控整流器+Boost電路+ PWM逆變器;4) PWM整流器+PWM逆變器。在此提出兩種常用變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 3.5.1 不可控整流器+BOOST電路+PWM逆變器 圖3.3 不可控整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖（3.3）為常見的變流器結(jié)構(gòu)之一:不可控整流器+Boost電路+PWM逆變器。 發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的幅值和頻率都是不斷變化的,在頻率和幅值不斷變化的交流電后接一個(gè)不可控整流器,把交流電轉(zhuǎn)化為直流電。因?yàn)槭褂玫氖遣豢煽氐恼髌?它具有有非線性特性,這樣輸出來的電流具有很大的諧波,發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)會(huì)因此降低,如果諧波含量較高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩。直流電通過不可控整流器整流輸出時(shí)，電壓值比較低,這樣PWM逆變器的運(yùn)行特性變差。因?yàn)榇嬖谏厦娴膯栴},我們在整流器和逆變器中間增加了一個(gè)環(huán)節(jié),加入DC-DC boost升壓電路結(jié)構(gòu),來起到升壓作用,把直流電的電壓升高,達(dá)到PWM逆變器的要求,這樣會(huì)有效地提高PWM逆變器的工作效率。 但是,因?yàn)椴豢囟O管整流橋具有非線性特性,它的使用會(huì)使得整流橋輸入側(cè)的電流特性發(fā)生嚴(yán)重畸變,降低發(fā)電機(jī)的效率,也增加了電路內(nèi)部損耗。此外,Boost升壓電路在工作時(shí)要借助直流電感進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放,由于電感中流過單極性脈動(dòng)電流,造成電感嚴(yán)重偏磁,極易飽和,所以需要采用大氣隙甚至空心電感,這將大大增加電感的體積、重量和成本。 3.5.2 PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器 圖3.4 PWM整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器結(jié)構(gòu)圖如圖（3.4）所示。 將圖（3.3）中的不控整流橋部分換成PWM整流器得到如圖（3.4）所示的背靠背結(jié)構(gòu),所以該設(shè)計(jì)方案也叫背靠背PWM變流器結(jié)構(gòu)。釆用PWM整流技術(shù),將頻率和幅值變化的交流電整流成恒定直流。 這種結(jié)構(gòu)中,發(fā)電機(jī)的PWM整流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的交直軸的電流,控制發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率大小,一般會(huì)把無功功率設(shè)定為0。這樣當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在變速恒頻狀態(tài)時(shí),小于額定風(fēng)速,也可以捕獲最大風(fēng)能；網(wǎng)側(cè)的PWM逆變器也是通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的交直軸電流,保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定,并把有功功率和無功功率的控制解耦開來,控制流向電網(wǎng)的無功功率,通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。 綜合對比上述各種方案的優(yōu)缺點(diǎn),考慮成本和設(shè)計(jì)難度等因素,本文選用不可控整流器。 第4章 系統(tǒng)MATLAB建模與仿真 4.1 系統(tǒng)仿真模塊設(shè)計(jì) 因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電壓等級(jí)和安全等因素的要求,仿真是電力系統(tǒng)分析的有效途徑之一。以前的電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)仿真技術(shù),往往局限研究人員自己進(jìn)行建模仿真。其數(shù)學(xué)模型是否真實(shí)描述實(shí)際情況,將在很大程度上影響到仿真是否取得成功。Matlab是當(dāng)前比較通用的一種仿真軟件,它具有強(qiáng)大的控制和仿真能力,并開發(fā)了電力系統(tǒng)仿真工具箱(Simpower)[18],在電力電子和電力系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是電力電子與電力系統(tǒng)的結(jié)合,本論文采用Matlab/Simulink仿真軟件,對永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的所有模型進(jìn)行建模和仿真。 本章按照第三章中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型,對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。 系統(tǒng)仿真圖如下，在下面的小節(jié)中會(huì)有各個(gè)模塊的介紹。 圖4.1 系統(tǒng)仿真圖 4.1.1 風(fēng)速仿真模型 根據(jù)上一章關(guān)于風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型在MATLAB\SIMULINK中建立仿真模型，需要輸入的參數(shù)有:陣風(fēng)起始、持續(xù)時(shí)間,陣風(fēng)的峰值風(fēng)速,漸變風(fēng)的開始、終止和保持時(shí)間, 漸變風(fēng)的峰值風(fēng)速以及基本風(fēng)的風(fēng)速。仿真模型如下圖。 圖4.2 風(fēng)速仿真模塊 上圖為系統(tǒng)仿真圖中wind子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從上到下分別為漸變風(fēng)、陣風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)、基本風(fēng)。輸出為風(fēng)速（m/s）。 4.1.2 風(fēng)力機(jī)仿真模型 下圖是由風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型建立的風(fēng)力機(jī)仿真模型，輸入為風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率。 圖4.3 風(fēng)力機(jī)仿真模塊 4.1.3 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)模型 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)模型直接在SIMULINK仿真庫中調(diào)用，Tm為輸入轉(zhuǎn)矩接口，m為發(fā)電機(jī)各運(yùn)行參數(shù)輸出接口。A,B,C為輸出三相交流電。 圖4.4 發(fā)電機(jī)仿真模塊 4.2 仿真參數(shù)設(shè)定 4.2.1 風(fēng)速仿真模型參數(shù) 漸變風(fēng)最大值設(shè)為3m/s,起始時(shí)間為0s，終止時(shí)間為2s，各參數(shù)設(shè)置在simulink中用constant模塊實(shí)現(xiàn);陣風(fēng)最大值為3m/s,起始時(shí)間為0s，終止時(shí)間為2s，同樣也用constant模塊修改;隨機(jī)風(fēng)用random number模塊實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置如下圖，為了便于觀測風(fēng)速波形，random number模塊中平均值（mean）設(shè)為0，方差（variance）設(shè)為0.01，初始值設(shè)為0；基本風(fēng)用constant模塊設(shè)為3.5m/s。風(fēng)速模型沒有輸入，輸出為風(fēng)速。 圖4.6 隨機(jī)風(fēng)參數(shù)設(shè)置 圖4.7 風(fēng)速仿真波形 4.2.2 風(fēng)力機(jī)仿真模型參數(shù) 風(fēng)力機(jī)參數(shù)包括切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、風(fēng)輪半徑、槳距角、空氣密度等。風(fēng)力機(jī)的輸入為風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是由永磁同步電機(jī)反饋回來的，風(fēng)速由風(fēng)速模型輸出；風(fēng)力機(jī)輸出為風(fēng)力機(jī)發(fā)出功率和轉(zhuǎn)矩。 本次設(shè)定切入風(fēng)速為2m/s，切出風(fēng)速為10m/s，風(fēng)輪半徑為1m，為，取1.225kg/。 4.2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)仿真模型參數(shù) 永磁同步發(fā)電機(jī)在MATLAB/simulink中有已經(jīng)建好的模型，直接調(diào)用即可。永磁同步發(fā)電機(jī)的輸入為轉(zhuǎn)矩，由風(fēng)力機(jī)提供；輸出為三相交流電，同時(shí)其還有一個(gè)測量端口，輸出發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括定子電流，定子電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩等。永磁同步發(fā)電機(jī)具體參數(shù)具體如下圖。 圖4.7 永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置 4.2.4 變流器仿真模型參數(shù) 變流器采用三相橋式不可控整流，在simulink中選擇Universal Bridge模塊，在參數(shù)設(shè)置對話框中Power Electronic device項(xiàng)選擇Diodes，即為三相不可控整流橋，其他參數(shù)不變。 圖4.8 不可控整流器參數(shù)設(shè)置 4.3 仿真結(jié)果及分析 本節(jié)根據(jù)建立的PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在給定不同的風(fēng)速值的情況下進(jìn)行仿真研究。 設(shè)定風(fēng)速為10m/s，下圖（4.9），（4.10），（4.11）分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、定子電壓（三相中的一相）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電流（三相中的一相）、直流側(cè)電壓波形。以下所有圖中，橫坐標(biāo)均為時(shí)間（單位：s）。 圖4.9 發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Tn及定子電壓Vs波形 圖4.10 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子電流波形 圖4.11 整流器直流側(cè)電壓 改變風(fēng)速，設(shè)為5m/s，重新檢測上面的參數(shù)波形，結(jié)果如下： 圖4.12 轉(zhuǎn)矩及電壓對比圖 圖4.13 轉(zhuǎn)速及電流對比圖 圖4.14 變流器直流側(cè)電壓對比圖 仿真結(jié)果表明，對風(fēng)速、風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等各個(gè)部分建立的數(shù)學(xué)模型正確，仿真結(jié)果與實(shí)際相符。 4.4 本章小結(jié) 本章針對文中所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了各個(gè)部分的原理和風(fēng)力機(jī)的特性曲線，建立了各部分的數(shù)學(xué)模型及整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，給出了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性模擬結(jié)果，包括斬波器的特性仿真、發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)定子電流模擬仿真、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及直流側(cè)輸出電流的對比仿真。仿真結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在理論上是合理的。 第5章 總結(jié)與展望 5.1全文總結(jié) 風(fēng)力發(fā)電近幾年迅速崛起,尤其直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電成為未來發(fā)展方向。在閱讀了大量中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本論文對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。永磁同步電機(jī)控制靈活,具有較好的性能,應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí),可與風(fēng)機(jī)直接相聯(lián),形成結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)。風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要部分。 本文從分析風(fēng)力機(jī)的相關(guān)理論入手，對模擬系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了較全面的研究，通過仿真軟件模擬了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的過程。將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),在Matlab仿真環(huán)境下對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,同時(shí)對風(fēng)力機(jī)模擬進(jìn)行了研究分析,論文工作總結(jié)如下: 首先，介紹了本課題的研究背景，闡述了課題的目的和意義，綜述了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，明確了本文研究內(nèi)容。 其次，針對文中的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了各個(gè)部分的原理和風(fēng)力機(jī)的特性曲線，建立了各部分的數(shù)學(xué)模型及整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型。 緊接著，本文給出了永磁同步電機(jī)基本工作原理,分析磁鏈和電勢、電感等靜態(tài)特性,在此基礎(chǔ)上建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 最后，使用Matlab軟件對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn),同時(shí)也仿真驗(yàn)證了風(fēng)力機(jī)模擬的可行性,給出了實(shí)驗(yàn)波形，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,比較波形與理論的區(qū)別。 5.2課題展望 本文是基于理論的研究，結(jié)合仿真得到的一些有意義的結(jié)論，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際工作，建立了一個(gè)良好的開端。由于作者水平和時(shí)間有限,仍然有許多問題需要作進(jìn)一步研究,具體有以下幾個(gè)方面: 第一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一個(gè)相對較新的領(lǐng)域，其技術(shù)涉及空氣動(dòng)力學(xué)，機(jī)械學(xué)，控制理論，電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)。對于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，還有很多的問題需要進(jìn)行深入的研究。由于風(fēng)的變化是沒有規(guī)律，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)不斷變化的環(huán)境中，因此對系統(tǒng)的可靠性具有非常嚴(yán)格的要求。本文對風(fēng)電系統(tǒng)的建模主要基于理論上理想的數(shù)學(xué)模型，忽略了很多因素可能對風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。 第二，本文僅僅是對風(fēng)力發(fā)電的過程進(jìn)行了簡單的仿真模擬，沒有涉及到更復(fù)雜的控制電路部分，雖然介紹了一些控制策略，但由于水平有限，沒能實(shí)現(xiàn)更精確的控制。 第三，本文設(shè)計(jì)在Matlab仿真平臺(tái)上運(yùn)行良好,但是沒有使用變流器等電子器件做出實(shí)物來驗(yàn)證。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中,由于功率較大,一個(gè)大的難題就是開關(guān)器件的容量問題,以后的研究中可以在這方面做出一些工作。 參考文獻(xiàn) [1]張亞彬，馬麗娜，呂志友. 小型風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013.9. 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[18]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社,2008. 致謝 時(shí)間飛逝，大學(xué)的學(xué)習(xí)生活很快就要過去，在過去的學(xué)習(xí)生活中，我收獲了很多了，而這些成績的取得是和一直關(guān)心幫助我的人分不開的。 畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的四年的學(xué)習(xí)生活既將結(jié)束。在這四年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。 在此，我特別要感謝我的導(dǎo)師黃亮老師對我的悉心指導(dǎo)。我的論文書寫及設(shè)計(jì)過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，為我理清了設(shè)計(jì)思路和操作方法，并對我所做的課題提出了有效的改進(jìn)方案。同時(shí)，黃亮老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和誨人不倦的態(tài)度給我留下了深刻的印象。從他身上，我學(xué)到了許多能受益終生的東西。再次對黃亮老師表示衷心的感謝。 其次，我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對我的嚴(yán)格要求，感謝他們對我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助，使我了解了許多專業(yè)知識(shí)和為人的道理，能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。 另外，我還要感謝大學(xué)四年和我一起走過的同學(xué)朋友對我的關(guān)心與支持，與他們一起學(xué)習(xí)、生活，讓我在大學(xué)期間生活的很充實(shí)，給我留下了很多難忘的回憶。 最后，我要感謝我的父母對我的關(guān)系和理解，如果沒有他們在我的學(xué)習(xí)生涯中的無私奉獻(xiàn)和默默支持，我將無法順利完成今天的學(xué)業(yè)。 25