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1、学校代码： 10128学 号： 200920305003 本科毕业设计说明书（题 目：直驱型风电机组建模及仿真分析学生姓名：孟庆飞学 院：电力学院系 别：电力系专 业：风能与动力工程班 级：风能与动力工程09指导教师：任永峰 教授二 一三年 六 月摘 要风能作为一种清洁的可再生能源，不仅可以缓解能源危机，而且有利于环保，可带来直接的经济效益和社会效益，因此近年来受到各界广泛关注，风电产业也发展迅猛。目前获得广泛应用的并网型风力发电系统多采用异步发电机，但是效率不高。并且由于必须采用升速齿轮箱，系统的可靠性不高。而采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统，因其具有效率高、制造方便、控制效果好等优点
2、，逐渐成为人们研究的焦点。本文主要针对永磁直驱风电系统系统进行建模和仿真研究。风力发电系统包括两个能量转换过程，即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。本文通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理，建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型。并在MatlabSimulink环境下搭建了整个仿真系统的模型。文章提出了最大风能捕获方法，提高了发电机的效率。对于网侧逆变器的控制，采取了直流电压环和无功电流内环的双闭环控制策略，实现了将直流电逆变为与电网同频率、同幅值的交流电，维持直流侧电压恒定，并能根据电网需求实现与电网间的无功交换的控制目标。建模与仿真是研究分析机电系统性能的有效
3、方法和重要手段。本文基于Simulink仿真技术，构建了永磁同步发电机通用模块，并进行封装，从而为该种发电机系统的仿真研究提供了方便、可靠的工具。通过以上研究，为建立具有我国自主知识产权的新型永磁直驱风电机组奠定了理论和试验基础。关键词：永磁同步发电机；直驱式风电系统；数学模型；建模仿真AbstractWind energy as a clean and renewable energy, not only can ease the energy crisis, but also conducive to environmental protection,Can bring direct ec
4、onomic benefit and social benefit, so in recent years by the extensive attention from all walks of life, the wind power industry.The rapid development of. Current of grid-connected wind power system is widely used in the use of asynchronous generator, but the effect.Rate is not high. And because mus
5、t use the speed increase gearbox, the reliability of the system is not high. The permanent magnet synchronous.Direct-drive wind power generation system of the motor, because it has the advantages of high efficiency, easy manufacture, good controlling effect,Gradually became the focus of the study. T
6、his paper mainly modeling and Simulation for permanent magnet direct-drive wind power system Research.Wind power generation system includes two energy conversion process, namely wind turbines convert wind energy into mechanical energy and power.Machine to convert mechanical energy into electrical en
7、ergy. In the The Matlab / Simulink environment to build the model of simulation system. This paper proposes a method to capture maximum wind energy, improve the efficiency of the generator. maintain a constant DC voltage, and according to the realization and the power grid without control target pow
8、er exchange demand of power network.Modeling and simulation analysis of an important means of effective methods and electromechanical system performance. In this paper, based on the Simulink technology of simulation, construction of the permanent magnet synchronous generator module, and package, whi
9、ch provides a convenient, reliable tool for the simulation research of this kind of generator system. Through the above research, laid the theoretical and experimental basis for the establishment of Chinas independent intellectual property rights of the new permanent magnet direct-driven wind turbin
10、e.Key word：permanent magnet synchronous generators；direct-driveWind power system； maticalmodel；modeling and simulation目 录第1章 引言61.1课题的研究背景以及研究意义61.1.1 课题的研究背景61.1.2课题研究意义61.2 国外以及国内风力发电发展现状71.2.2 世界各国风力发电发展现状71.2.3 中国风力发电现状81.2.3 风电技术的发展趋势101.3 本论文主要研究工作12第2章 直驱式风力发电系统运行原理和数学模型132.1 直驱式风力发电系统运行原理132
11、.2 系统各部分数学模型142.2.1风速的数学模型142.2.2风力机数学模型162.2.3轴系数学模型172.2.4永磁同步发电机的数学模型172.2.5 二极管整流电路202.2.6 升压斩波电路模型分析（Boost电路）212.2.7系统机侧功率的相关计算222.2.8网侧数学模型24第3章 永磁直驱风电系统控制策略2631风力机最大风能捕获原理263.2 永磁直驱风力发电系统变流器控制策略293.2.1基于升压斩波电路（boost）的系统控制293.2.2电网电压矢量定向控制303.2.3磁链定向控制313.2.4虚拟电网磁链定向控制32第4章 永磁直驱风力发电系统建模与仿真分析35
12、4.1 风速的仿真模型364.2 风力机的仿真模型364.3永磁同步发电机的仿真模型374.4 升压斩波电路控制引脚仿真模型384.5 侧PWM控制引脚仿真模型384.6 永磁直驱风力发电系统整体仿真模型394.7仿真结果分析414.7.1风速变化曲线414.7.2 发电机电磁转矩424.7.3 机侧三相输出电流424.7.4 网侧电流dq轴分量434.7.5 直流侧电压434.7.6 网侧有功和无功功率444.7.7 网侧输出电流波形454.7.8 网侧输出三相电流细节454.7.9 网侧输出三相电压细节45结 论47参考文献48谢 辞49第1章 引言1.1课题的研究背景以及研究意义1.1.
13、1 课题的研究背景由于世界性经济能源危机的日益加剧、全球化与人口的不断增长，人们对环境保护意识的不断加强、能源需求量日益增加，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力：一方面，煤炭、石油和天然气等化石燃料的储量由于二十世纪下半叶的无节制开采而日趋匮乏和枯竭；另一方面，大量使用化石燃料对自然环境产生严重的污染和破坏。在过去20 年中，全世界能源消耗增长量高达50%，到2020 年全球能源消耗还将增长50%-100%左右，由此所造成的温室效应气体排放将会增加45%-90%，从而带来灾难性后果。能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。因此，人类正在努力寻求清洁、高效、可以再生的能源来代替对石油
14、、煤炭等常规能源的依赖。风能，作为一种可转化成电能的能源形式受到了人们的广泛关注。由于风电在调整能源结构，缓解环境污染等方面有着不可取代的重要作用，同时它可以带来较好的经济效益和社会效益，世界上大多数国家都对这一极具潜力的可再生能源给予高度的重视。从去年PM2.5爆表事件和大范围的雾霾天气，已经让越来越多的人们认识到以煤炭为主的能源结构不符合建设生态美丽中国理念这一事实。通过反省雾霾事件，人们将会更加乐于接受并使用清洁可再生能源。我国地域辽阔，蕴藏着非常丰富的风能资源，可利用的潜能很大。据计算，全国风能资源总量约每年16亿千瓦，其中可开发约为每年16亿千瓦。我国东南沿海岛屿以及西北牧区、西南山
15、区严重缺电，但风能资源较大，有着发展风力发电的优良条件。因此，在我国因地制宜地开发利用风能，不仅可以扩大能源，而且有助于解决边远地区用电需要，开发和研制兆瓦级变速恒频风电机组有着现实的重要意义。1.1.2课题研究意义风力发电技术在广义上不仅包含风力发电机组的研究、生产，同时包括风电场厂址的选择和管理，风力发电的经济性研究等内容。风能利用和风力发电技术的发展要求我们加深对风力发电机组特性的研究，而建模仿真是对风电机组进行研究的有效手段，这样选用恰当的建模方法来对系统进行研究也就成为关注的焦点。目前我国风电产业还有各种各样的问题，如大型风力发电设备生产技术的缺乏、研发基础略显薄弱、风电人才短缺、风
16、电场的运行、维修、管理水平低下等。对风电系统进行建模与仿真分析，直接关系到所开发系统的精确性，可以在较短的时间内培训出合格的运行操作人员，并可有效提高运行管理水平，提高风电场运行的安全性和经济性。在进行机组整机或部件设计时，必须深刻理解各组成部件在可能的工作条件下的力学、电学等物理特性要求。而系统建模与仿真是目前通行的重要手段。从对风电机组进行优化运行的角度上讲，需要对风电机组进行状态检测和评估，从而优化风电场的运行和维修，可以带来巨大的经济效益。而建立系统的模型并对其进行仿真研究是研发状态监测系统和优化风电场运行必须完成的工作。随着风电技术的快速发展和机组单机容量的不断增加，对风电机组控制系
17、统的要求愈来愈高，机组控制系统结构与控制策略越来越复杂，而建立系统模型是对系统分析和控制器设计的前提条件。因此，对于风力发电机组进行建模和仿真研究具有非常重要的意义，本课题就是在此基础之上提出来的。1.2 国外以及国内风力发电发展现状1.2.2 世界各国风力发电发展现状全球风能资源分布情况如下图所示：图1 全球风能资源分布简图（TWH/A） 面对资源的短缺以及它所带来的威胁，世界上各国都积极研发利用风力发电的技术，以欧美等发达国家为代表，风能产业在全世界蓬勃发展，逐渐呈现出了规模化发展的趋势。预计到2020年，全球风电容量将会达到126亿千瓦，是2012年的世界风电装机容量的12.3倍，预计的
18、总投资约为6300亿美元。目前欧洲在风电的技术和应用处于世界领先的地位，占全世界风电装机容量的74。丹麦、德国、印度、意大利、日本、西班牙和美国已可生产兆瓦级或容量更大型的风力机。目前世界上最大的风机容量为73兆瓦，风轮直径为112米。普遍应用于风电场的风力机已达到2兆瓦以上。海上广阔的空间和可观的风能潜力是使得风机从陆地转移到海洋成为一种趋势。随着科技的不断发展，利用海上风力发电已经提到议事日程。1994年英国伦敦海上工程公司的船舶设计师托恩就领导了一个国际性财团进行风力发电机计划，以使海上风力发电进入商业经营。这台风力涡轮机有45米高，可以产生14兆瓦的电力。从2006年开始，欧洲的海上风
19、力发电大规模的起飞。风电技术的不断进步和风轮机的大型化、高效化、和规模化，无疑将降低风电价格并推进其发展。欧洲继续保持总装机容量第一的位置，亚洲超过了北美市场排在第二位。1.2.3 中国风力发电现状国地域辽阔，蕴藏着非常丰富的风能资源。据计算，全国风能资源总量约每年16亿千瓦，其中可开发约为每年16亿千瓦。我国东南沿海岛屿以及西北牧区、西南山区严重缺电，但风能资源较大，有着发展风力发电的优良条件。因此，在我国因地制宜地开发利用风能，不仅可以扩大能源，而且有助于解决边远地区用电需要，有着现实的重要意义。我国早就意识到面对日益枯竭的燃料能源，原有的资源消耗方式显然已经跟不上时代的发展，早早开始了与
20、风能、太阳能等新型可再生能源相关项目的的研发工作，到如今，已经取得了优异的成绩。随着我国新能源建设进度的推进，风能在整个能源产业当中所占分量越来越大，这极大地促进了我国新能源产业的发展。国家发改委副主任、国家能源局局长刘铁男在今年全国能源工作会议上表示，2013年全国能源重点推进八方面工作，其中最大的亮点是提出今年全年风电和新增装机为1800万千瓦。这意味着全国风电装机增速同比将有大幅提升，今年全年风电产业市场再次走上发展快轨前景可期。刘铁男指出，大力发展新能源和可再生能源是全国能源工作的重心之一。今年主要任务是积极发展水电，协调发展风电，大力发展分布式光伏发电。全年新增水电装机2100万千瓦
21、、风电装机1800万千瓦、光伏发电装机1000万千瓦。市场分析认为，1800万风电装机目标较2012年全年新增规模相比有较大提升，这一定程度上意味着此前陷入低迷的国内风电市场有望再次提速发展。据国际能源署(IEA)对20002030年国际电力的需求进行的研究表明，来自可再生能源的发电总量年平均增长速度将最快。IEA的研究认为，在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快，年增长速度近6%，在20002030年间其总发电量将增加5倍，到2030年，它将提供世界总电力的4.4%，其中生物质能将占其中的80%。更值得一提的是，此次会议首次提出将“研究深化能源体制改革的顶层设
22、计和总体规划，明确改革总体方案、路线图和时间表，积极开展试点示范”。我们可以这样认为，这意味着自此前电煤价格市场化改革为起点，以电力体制改革等为代表的一系列能源体制机制改革有望在2013年逐一融冰。十八大报告指出，推动能源生产和消费革命，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展，确保国家能源安全。这需要从根本上调整以煤为主的能源消费结构，提高新能源在终端能源消费中的比重。2013年1月1日，国务院正式印发了能源发展“十二五”规划，提出了一系列发展目标，其中“非化石能源消费比重从2010年的8.6%提升至2015年的11.4%”作为约束性目标提出。截止到2012年年底，我国风电累计装机容量达到7
23、532万千瓦，仍保持总装机容量全球第一。2012年我国风电新增装机1296万千瓦，比2011年的1763万千瓦减少了约26.5%。2012年新增并网容量1537万千瓦，全国累计并网容量达到6237万千瓦。2012年是自2008年以来年新增并网容量首次超越年新增装机容量的一年。2012年，是国内陆上主流风电机组向更大容量过渡的一年。也是我国风电行业瓶颈凸显、负面问题集中爆发的一年。国家能源局数据显示，2012年全国风电平均年利用小时数为1890小时，较2011年下降了30小时，个别省（区）下降到1400小时左右，部分地区弃风限电严重。鉴于以上问题，2012年国家完善了系列制度以保障风电行业健康发
24、展。在风电开发方面形成了国家核准计划管理制度，协调风电场建设与电网的建设。在运行方面，不断完善调峰的同时，加紧制定风电错峰管理办法。还完善了风电功率预测和调度、使用预测数据进行发电计划安排的机制。风电发展到现在，产业链各个环节首先要以积极的心态应对瓶颈期，都有责任提高发展水平，共同维护行业的健康、良性发展。可见，在经历了发展初期”一窝蜂式”的建设错误之后，我们对风电的发展有了一个科学的、符合实际情况的认识。虽然风电行业正在经受产业上的阵痛，但是在乐于使用可再生能源的社会观念、及时有效的政策和良性行业竞争三个方面合力下，风电行业的发展脉络会逐渐显现和清晰，乱象会逐渐消除并形成稳定、完善的产业体系
25、，为实现十八大建设生态美丽中国的目标打下坚实的能源基础。与此同时，我国从风电大国转变为风电强国，风电成为社会主要电源，使用清洁能源的观念将深入人心。1.2.3 风电技术的发展趋势变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。变速恒频方式可通过调节机组转速追踪最大风能，提高了风力机的运行效率。变桨距功率调节方式迅速取代定桨距调节方式。采用变桨距功率调节方式避免了定桨距功率调节方式中超过额定风速时发电功率下降的缺点。今后采用变桨变速功率调节方式的风电机组还会大幅上升，取代落后的定桨恒速功率调节方式。机组单机容量不断上升。风电机组单机容量越大则发电效益也就越高，单位千瓦的造价就越低，正是基于经济效益的优势，单机
26、容量逐步提高成为国际风电设备技术的主要趋势之一，但是研制和生产的技术难度也加大。随着电力电子技术的发展，近几年来变速恒频风机得到了快速发展，并成为市场的主流技术。同时，随着全功率变流技术正在兴起，无齿轮箱系统的市场份额也在迅速扩大，其取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率交流电输出。为了提高风力发电系统效率和运行可靠性，目前风力发电系统正在向取消增速机构的由风力机直接驱动永磁发电机的趋向发展，并已在不同功率等级的风力发电系统中得到应用。根据风能
27、条件，直驱永磁风力发电机转速可以在一个相对较宽的范围内变化，从而使风力机在不同的风速都能输出最大的功率。这样的变速运行有很多优点，比如：缩短驱动链、减小机械应力、提高输出电能质量、增加能量捕捉等。风力机的制造正朝着半径更大、性能更优的方向发展。使用直驱发电机能大大减少发电机组转动部分组件数量。对风力发电来说，直驱方案是更有前景的选择。 现将直驱式风力发电系统和双馈式风力发电系统以表格的形式进行对比，如下所示：对比内容异步双馈 永磁直驱 驱动链结构有齿轮箱，维护成本高 无齿轮箱或低传动比（半直驱） 电机种类电励磁 永磁 电机尺寸、重量、造价小，轻，低 高，大，重 电机电缆的电磁释放有释放，需要屏
28、蔽线 无释放 电机滑环半年换碳刷，2年换滑环 无碳刷，无滑环 变流单元IGBT，单管额定电流小，技术难度大 IGBT，单管额定电流大，技术难度小 变流容量全功率的1/4 全功率逆变 变流系统稳定性中 高 电网电压突降的影响电机端电流、电机转矩急增 电流、转矩稳定 塔内电缆工作电流类型高频非正弦波，谐波分量较大，必须使用屏蔽电缆 正弦波 可承受瞬间电压波动-10%, +10% -85%, +10% 谐波畸变难以控制，因为要随电机转速变化进行变频 易控制，因为谐波频率稳定 50Hz/60Hz之间的配置变化变流滤波参数需调整，齿轮箱需改变 变流滤波参数需调整电控系统平均效率中 高 1.3 本论文主要
29、研究工作 风力发电是一门新式学科，但是它所涵盖的方面非常之广，是一个复杂的系统工程。本论文为了突出论述重点，从永磁直驱风力发电系统的原理开始入手，队系统各部分进行模型的建立，之后运用相关软件对其进行仿真分析，本论文所展现的内容主要有以下点：介绍了近年来中国和世界其他各国队风力发电系统的研究进展和发展情况，对比了目前主流应用中的永磁直驱风力发电系统和双馈异步风力发电系统的优缺点。从原理入手，介绍了不控整流后接升压斩波电路后接PWM型永磁直驱风力发电系统的构成、。研究了永磁同步发电机的矢量控制的方法，阐述了虚拟磁链观测法的原理。对永磁直驱风力发电系统各部分进行了数学建模，有风速模型、风力机模型轴系
30、模型、永磁式同步发电机模型、不控整流模型、Boost模型、PWM模型，提出了网侧相关控制策略。运用Simulink的建模功能，建立各部分的仿真模型，对整个系统进行了仿真验证研究，仿真结果表明了模型的正确性和控制策略的有效性以及撰写本论文的必要性。第2章 直驱式风力发电系统运行原理和数学模型2.1 直驱式风力发电系统运行原理传统风力发电系统，常采用增速齿轮箱来提高风力机的转速，然而齿轮箱不仅会产生噪声、增加系统故障率，而且会降低风能的利用率。新型的直驱风力发电系统采用低速永磁同步发电机，通过功率变换电路直接并入电网，大大提高了系统效率。因此，永磁直驱式风力发电系统正在成为目前风力发电技术领域的重
31、要发展方向。从前一章节的分析可以得出，直驱式永磁同步风力发电系统综合优势优于双馈式异步风力发电系统。直驱型风力发电系统主要构成有：风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统、控制系统等。其基本结构如图21所示：图2.1 直驱式风力发电系统原理图直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。其基本原理是首先将风能转化为幅值和频率变化的交流电，再经整流之后变为交流，然后经逆变器变换为三相频率恒定的交流电送入电网。通过中间的电力电子变换环节来对系统的有功和无功功率进行控制，以达
32、到最大风能追踪的目的。直驱系统有如下优点：首先，永磁同步发电机 具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。该系统中 的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以和永磁发电机直接耦合，省去了其它风力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声：其次，该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性，可以独立设计逆变器部分。无齿轮驱动的转速低， 力矩大，转子直径大，转子极间的间隙很小，对定子开槽的要求很高，造价昂贵，因此采用的是多极外转子结构，包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁磁钢、铁心、定子和外转子。发电机无自带冷却风扇
33、或外装冷却风扇，因而结构简单，损耗小，提高了整机组的可靠性和寿命，减少了运行和维护费用。电力电子变流装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。2.2 系统各部分数学模型2.2.1风速的数学模型风电机组以风作为原动力，风速则直接决定了风电机组的动态特性。要掌握风电机组的动态特性，就必须获得风电场短期的风速波动数据，如秒级的风速。本论文采用将四个风速分量合成代表现实风速的方法，这种方法考虑了风速的随机分量分布谱密度、风速的频率、地表的粗糙度和扰动范围，能够比较全面地模拟现实
34、风速变化，本文在进行变速恒频风电机组的动态仿真时，将风速的模型简化为4种典型的风速变化情况，即基本风、阵风、渐变风和随机风。 1.风电机组在正常的运行状态下，一般处于同一功率水平，我们可以将基本风定义为常数值。 2.现实中，风速有可能发生突然地变化，我们定义阵风如下所示：其中：阵风风速分量，单位为m/s；：周期，单位为S；：阵风启动时间，单位为S；：阵风峰值；3.在现实中，风速会有一个缓慢的渐变特性，因此我们把这一特性定义为渐变风如下所示： 其中：渐变风分量，单位为m/s；：渐变风峰值，单位为m/s；：渐变风起始时间，单位为s；：渐变风终止时间，单位为s；：渐变风持续时间，单位为s； 4.在现
35、实中，风湿有波动性质的，为了体现风速的随机扰动特性，我们定义随机风如下所示： 其中： ：随机风风速分量，单位m/s；：均匀分布的随机变量，范围介于0到2；：地表粗糙系数，不同地域数值不同；：扰动范围，单位为m；：相对高度的平均风速，单位为m/s； 综上所述：我们将上述四种风速分量叠加用以模拟实际作用在风机上的风速：2.2.2风力机数学模型在风力发电机组中,风力机作为原动机,负责将空气的动能转变为机械能,之后通过轴系将其传输至发电机把机械能转变为电能,它是整个风电系统能量转换的首要部件。风力机截获流动空气所具有的动能,并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部份空气的动能转换为有用的机械能,风力机决定了
36、整个风力发电系统装置有效功率的输出,也直接影响机组能否的安全、可靠并且稳定运行。由风力机的空气动力学特性可知,风力机的输入功率为：其中：S：桨叶扫风面积，单位为m；：空气密度，单位为kg/m；V：风速，单位为m/s；：桨叶的浆距角；：叶尖速比；：风力机转子转速，单位为rad/s；R：风力机转子半径，单位为m；：与叶尖速比和浆距角相关的功率系数；当浆距角为定值的时候，风速和风机转速总是在变化的，我们发现总是存在一个最佳的叶尖速比，使得功率因数最大。风力机从空气中捕获的功率如下所示： 所以，我们可以将风力机的输出转矩表示如下： 我们通过调节转速为适当值，即可使Cp值保持最大，从而捕获最大风能，相关
37、控制策略我将在下一章体现。2.2.3轴系数学模型轴系是连接风力机和发电机的中间部件，现将数学模型表示如下：其中：同步转速；：发电机电磁转矩；：发电机转子转速；：为两质块之间相对角位移，单位为rad；：分别为风力机和发电机的惯性时间常数，单位为s；：分别为风力机转子和发电机转子的自阻尼系数，单位为Nm/rad；2.2.4永磁同步发电机的数学模型由于直驱风力发电机的风轮机与低速永磁发电机轴直接耦合，因此风能的随机和风速的变化，导致风轮机的转速将随之变化，从而发电机的转速跟随风速而变化。永磁同步电机的转子磁极是用永久磁钢制成的，通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁
38、场。该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合，并随转子以同步速度旋转。因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交流电建立的，定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。因此，当负载一定时，定、转子旋转磁场之间的差角一功率角是恒定的，通过折算并保持功率角为90度。这样，永磁同步发动机就和直流电动机基本相同了，可以实现解耦控制，即转子磁场定向的矢量控制。我们做以下假设，以便对发电机进行系统建模：忽略铁心磁饱和；忽略发电机的齿槽效应；转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子上没有阻尼绕组，不计涡流及磁滞损耗；定子各相绕组参数一样，即各相绕组的电枢电阻
39、值、电感值等。永磁同步发电机的三相定、转子空间分布如图29所示，三相绕组在空间对称分布，沿逆时针方向各绕组轴线互差120度电角度，转子按逆时针方向旋转，在上述规定下，定子绕组将产生三相正序电压。图2.2 永磁同步发电机定、转子空间分布图永磁同步发电机定子电压方程如下：其中：电角频率；：永磁体的磁链；：发电机的d轴和q轴电感；：永磁同步发电机定子输出电流的d轴和q轴分量；：永磁同步发电机定子输出电流、电压的d轴和q轴分量；我们把发电机d轴和q轴电感假设是相等的，即，这样的话，可以将上式变换如下：永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的等值电路如下所示：图2.3 q轴等效电路图2.4 d轴等效电路永
40、磁同步发电机电磁转矩的表达式如下： 简化后如下： 永磁电机发出的交流电经三相二极管不控整流器整流后转换成直流电,系统中的直流环节采用具有升压功能的Boost变换器,逆变器的输入端与Boost变换器的输出端连接从前级Boost变换器来看,风力能量的变化主要表现为电流的变化。直流电经过直流斩波电路升压,再通过高功率因数的逆变器变换后将电能送入电网采用结构简单成本低廉的不可控二极管整流器,发电机和二极管整流器结合在一起如同一简单的直流电机。由于缺乏励磁控制,永磁电机产生与电机转速成比例的电动势,为了得到最大风能利用效率,转速要根据风速的变化而变化。永磁电机和二极管整流器系统是完全不可控的,因此要通过
41、斩波器或者逆变器控制永磁电机获得的直流电流实现对转矩的控制从而得到理想的运行速度。2.2.5 二极管整流电路我们从之前的介绍中可以知道本系统发电机与二极管整流器连接，将发电机发出的三相交流电转换为直流电，如图所示：图2.5 不控整流原理图其中：直流侧电压：直流侧电流我们将二极管整流器交流连接处的每相电阻定义为。线电压的峰值定义为，直流电压的值为：由上式我们可以得出和线电压，交流侧相电压之间的关系：由以上公式可以得出和之间的关系为：2.2.6 升压斩波电路模型分析（Boost电路）升压斩波电路模型如图所示：图2.6 升压斩波（Boost）原理图 假设整个系统处于稳态运行。当功率开关导通时，电源向
42、电感充电，同时电容向负载供电，设导通的时间为，在这段时间电感上存储的能量为，当功率开关截止时电源和电感一起向电容充电并向负载传送能量，设截止的时间为，则这短时间内电感上释放的能量为。因为电感和电容的数值都非常大，所以在充放电过程中我们可以认为和都保持不变。故电路稳态运行时，一个周期内电感存储的能量和释放的能量相等，如下所示：我们可以变形得出：由于输入功率和输出功率相等，我们有：其中，D就是占空比，我们也可以写为：由于D1，所以，因此该电路是升压电路。该电路之所以能使输出电压高于输入电压，关键在于：一是电感储能具有电压泵升的作用；二是电容数值较大能使电压近似稳定。通过调节占空比D可灵活地调节输出
43、电压，可以有效地将发电机出口较低且变化的电压变换为较高且稳定的电压。我们可以得到以下两个数学方程：我们可以看出来，直流电压源连接的升压斩波器可以表达为占空比D的函数。2.2.7系统机侧功率的相关计算本风力发电系统机侧结构图如下所示：图2.7 系统机侧原理图其中： ：发电机终端电压；：线电流；：二极管整流器网侧每相电阻值我们可以得出：根据上式，我们可得：将式（2.24）（2.25）带入式（2.23），可以得到以下方程：发电机的线电流和它的幅值表示如下：因此，我们可以计算出网侧的输出功率P如下所示：直流电压由式（2.25）可以得到升压斩波电路的输出电压由乘以占空比得出，如下所示：2.2.8网侧数学
44、模型网侧逆变器的工作原理就是控制与逆变器连接的滤波电杆上的电流大小，使其跟踪指令电流的变化，而电网电压又是恒定的，从而使逆变器经滤波后的输出功率能够随着指令电流的变化而成正比的变化。图2.8 系统网侧原理图网侧逆变器如图 所示，在静止三相坐标系中的状态方程如下：其中：逆变器输入电流矢量；：逆变器输出相电压矢量；：电网相电压矢量；L ：每相滤波电感的大小；把上式转换为基于两相旋转坐标系dq的方程如下所示：其中：为电网基波角频率大小; 将三相静止坐标系到两相旋转坐标系的PARK变化如下所示：其中：表示了电网相角与D轴之间的夹角。 在两相dq旋转坐标系中，网侧逆变器输出的有功和无功功率如下所示：若电
45、网电压是标准正弦波的话，那么我们可以将dq轴分量表示为：其中：V：是电网相电压峰值。在现实情况下，电网电压会存在非正弦因素，例如高次谐波等，所以，和不会一直保持不变，它们都包含频率和幅值随着谐波的电压变化的交流分量。在稳态下，我们可以将有功和无功功率的式子简化如下所示：由此我们可以看出：在稳态下，有功P和有功电流成正比，无功功率Q与无功电流成正比。所以我们可以用这种方法控制逆变器的有功和无功功率的方法，即是分别控制逆变器输送给电网电流的有功分量和无功分量的大小。相关控制策略将在下一章体现。第3章 永磁直驱风电系统控制策略31风力机最大风能捕获原理由于风能的稳定性较差，捕获最大风能成为了研究的重
46、要课题之一。由于风速和风向一直处于变化之中，风力机的空气动力产生的效率以及输入到传动链的功率均发生了变化，影响了发电效率同时会引起转矩传动链的振荡，会对电能质量和接入电网产生影响，而这对小电网严重来说甚至会影响其稳定性。目前，风力发电系统的控制策略研究根据控制器类型的不同可分成两大类：一是基于数学模型的传统控制方法；二是现代控制方法。现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等等。当风速发生变化时，通过调节发电机电磁转矩或风轮桨距角，使叶尖速比保持最佳值，从而实现了风能的最大捕获。由第二章关于风机特性的论述我们可以知道：风速和最优角速度是一一对应的关系，风机运行在最优角速度时会捕获最多的风能。所以为了使风机能够始终从空气中捕获最大的风能，我们必须根据风速的变化对风机的转速进行调控，也可以成为进行最大功率点追踪控制。风力机的机械输出转矩可表示为：风力机从风中捕获的功率满足：其中Cp为与桨距角和叶尖速比成非线性关系的功率系数，如图（3.1），其表达式可近似由2个公式表示出来：图3.