千瓦级风力发电系统建模与设计——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）千瓦级风力发电系统建模与设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气工程及其自动化专业 学生姓名： 指导教师： 摘要人类的生存和发展离不开能源，能源问题与人类文明的演进息息相关。随着社会和经济的发展，能源的消耗在急骤增长。为了实现人类社会未来的可持续发展与解决化石能源带来的环境问题，必须大力发展新型能源，风能就是一种非常清洁的能源。现在常用于风力发电的发电机有双馈发电机和永磁直驱同步发电机，永磁同步直驱发电机相比双馈发电机省去了齿轮箱环节，减小了因为齿轮箱带来的机械损耗和设备的不稳定性，转换效率高，具有优越的低电压穿越能力。本文分析了永磁同步直驱风力发电机的工作原理，建立风力发电系统各部分的数学模型，并在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型进行仿真。风力发电机系统仿真模型包括风速模型、风力机模型、发电机模型、变流器模型等。仿真对比了不同风速下风力发电机特性。关键词：风力发电；MATLAB仿真；数学建模；永磁同步发电机AbstractHuman 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 gearboxs 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目录第1章 绪论11.1 风力发电研究的目的及意义11.2 国内外小型风力发电产业现状11.3 发展我国小型风力发电产业的有利条件21.4 论文主要研究内容2第2章 风力发电系统介绍42.1 风力发电系统分类42.1.1 恒速恒频风力发电系统42.1.2 变速恒频风力发电系统52.1.3 永磁直驱风力发电系统52.2 风电机组主要参数62.2.1 风轮直径与扫掠面积72.2.2 轮毂高度82.2.3 叶片数82.2.4 额定风速、切入风速和切出风速82.2.5 风轮转速、叶尖速比9第3章 永磁直驱风力发电系统数学模型103.1 系统整体结构103.2 风速模型103.3 风力机模型113.4 永磁同步发电机模型123.5 变流器模型133.5.1 不可控整流器+BOOST电路+PWM逆变器133.5.2 PWM整流器+BOOST电路+PWM逆变器14第4章 系统MATLAB建模与仿真154.1 系统仿真模块设计154.1.1 风速仿真模型154.1.2 风力机仿真模型164.1.3 永磁直驱发电机模型174.2 仿真参数设定174.2.1 风速仿真模型参数174.2.2 风力机仿真模型参数184.2.3 永磁同步发电机仿真模型参数184.2.4 变流器仿真模型参数194.3 仿真结果及分析204.4 本章小结22第5章 总结与展望235.1全文总结235.2课题展望23参考文献24致谢25VI武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 风力发电研究的目的及意义 国际电工委员会（IEC）针对小型风力发电机组的最新标准IEC 61400-2定义的小型风力发电机组，适用于风轮扫掠面积小于200m2，将风能转换为电能的系统1。 随着世界工业化进程的不断加快，能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要2。 在当前能源紧缺的环境下，风能利用是受国内外广泛重视的新能源项目之一，其最大的优点是在目前多种新能源利用中相对制造成本价格是最低的。现在的流行方式是大型风力发电机组大规模并网发电的形式，然而投资巨大，动辄几十个亿、几百个亿的投入额度，令普通的中小投资者望而生畏。本次设计主要研究小型家用千瓦级风力发电装置，这种小型风力发电机，广泛使用在多风的海岛和偏僻的乡村。该研究有利于优化未来的能源利用模式。在21世纪这个飞速发展的时代，无论是工业、科技都在不断进步着，随之而来的是对能源的巨大需求。风力发电这一可再生能源的利用方式能很好地适用这种需求。而作为新兴技术，也有着较大的发展空间和发展前景。1.2 国内外小型风力发电产业现状 小型风力机械已经有几十年的历史，是一项成熟的技术，最早流行于20世纪初的小农场、小牧场中，大多数用于风力机械提水。在美国农村大规模电气化项目启动前，许多农场安装了风力发电机组为自己供电。但是小型风能设备的普及率，在美国经济衰退期间和第二次世界大战后农村大规模电气化项目启动后有所降低。最近几年，由于相当一部分人搬到农村没有电网的地区居住，以及其他激励政策的陆续出台，小型风力发电产业再次兴旺起来。 虽然小型风力发电产业在持续的发展，但远没有大型风力发电产业那么迅速。到目前为止，全球100w-100kw的小型风力发电机组生产量为650000-700000台，装机容量为200-280mw。最成功的案例是应用于分散家庭的小型风力发电机组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国内蒙古的户用系统，也包括一些较大容量为村落供电的风能互补系统，风力发电机组的单机容量为1-50kw。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了移动通信基站3。 小型风力发电机组的生产和研发主要集中在北美、欧洲、和亚洲，而应用几乎遍及全世界。处于小型风力发电市场领导地位的生产企业有northern power公司（美国）、energrity公司（加拿大）和bergey windpower公司（美国）等。 在美国和欧洲，小型风力发电机有70%-80%是并网使用的，并且这一比例正在不断上升，单机功率较大，一般至少在5kw以上。小型风力发电机市场更多见于离网和微型电网应用盛行的发展中国家。在电网无法延伸的地方，即使没有附加政策的支持，小型风力发电机也往往是经济可行的，比如在一些孤立的海岛上。小型风力发电的发展也部分或者全部替代高价燃油、破坏环境的柴油发电系统提供可行的替代能源方案。 全球5个主要国家（中国、美国、英国、加拿大和德国）的小型风力发电机制造厂商占总数的50%以上。在小型风力发电机制造商在世界的分布方面，小型风力发电机仍集中在北美和欧洲的发达国家，发展中国家仍继续呈现相对缓慢的发展。具有丰富的风力资源的非洲、东南亚和南美等这些非常适合小型风力发电机应用的地区还未被开发4。1.3 发展我国小型风力发电产业的有利条件 我国具有发展小型风力发电产业的有利条件。1）我国是世界上小型风力发电机组的生产大国。世界上2/3的风力发电机组是由我国生产制造的，生产成本具有优势。2）风力发电与其他可再生能源技术不同，我国拥有生产和研发小型风力发电机组的自有技术和知识产权，与国际上的先进水平差距不大，产业的发展不会受制于别国的技术。3）小型风力发电设备规格较为齐全，性能较为可靠。我国已经能够生产100w-30kw的风力发电机组，且设备的可靠性较高，能够满足国内各类应用场合的需要。同时，我国也已经研制出50kw和100kw的风力发电机组，并开始小批量制造和投入市场，为在我国各领域大量应用小型风力发电机组打下了坚实的基础。4）我国从20世纪80年代初期就开始批量应用小型风力发电机，从内蒙古草原逐步扩展到三北地区、沿海地区和湖区，从边远无电地区的应用扩展到通信基站、油田抽油机、城镇道路路灯等应用，已积累了丰富的经验，为今后的成功应用打下了坚实的基础。5）产业化生产的规模已经基本形成。我国拥有世界上最多的小型风力发电机组制造企业，所有的零部件生产和供应基本上都能立足于国内，并有一定的研发能力。6）我国有丰富的风力资源，10m高度的技术可利用风能储量约为2.53亿千瓦。对于中小型机组来说，我国的风力资源非常丰富，潜在市场巨大5。1.4 论文主要研究内容 本文以独立运行小型风力发电系统作为研究对象，本文的工作重点是了解风力发电原理，选择某地全年气象信息建立风速模型,从异步电机、同步电机、直驱电机中选取一种适合千瓦级发电的发电机建立电机模型，基于matlab软件建立风力发电机系统模型。本文的主要研究内容如下： 第一章， 阐述了离网小型风力发电这个课题提出的背景、目的和意义，介绍了国内外风力发电发展概况以及我国发展小型风力发电产业的有利条件，概括总结了风力发电相关技术的发展状况，并简述了本文的研究内容； 第二章， 论述小型风力发电系统的基本组成及工作原理。介绍了目前比较常见的风力发电的技术。包括恒速恒频风力发电系统以及变速恒频风力发电系统，对各种发电技术进行了比较； 第三章，根据当地全年气象建立风速模型；查找风轮资料建立风力机模型；了解风力发电原理，从异步电机、同步电机、直驱电机中选取一种适合千瓦级发电的发电机建立电机模型； 第四章，对风力发电基本系统，包括风速、风力机、发电机的数学模型进行了全面的分析，说明了风力发电系统各个部风最通用的模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了各模块的建模，对建好的模型进行仿真，同时对仿真出的结果进行分析、评价； 第五章，总结全文的主要工作,并对课题的下一步研究工作进行展望,指出有待改进以及可以进行进一步研究的内容。 第2章 风力发电系统介绍2.1 风力发电系统分类 按风力机容量来分，主要有三种：一是小型单个的风力发电系统，这种系统一般运用于较为偏远、人口稀少的地区，风机的容量较小，一般在几十到几百千瓦之间，相对于大型风力发电系统来说，供电稳定性较低；二是区域性的风力发电系统，由多台风力机发电并供给一小片区域住户用电；三是大型的风力发电系统，大型风场建立在风力资源丰富的地区，将发出来的电能通过电网供给用户6。 按叶轮旋转的方式风力发电系统可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。在风力发电系统出现的早期，人们普遍认为水平轴风力发电较垂直轴风力发电有更高的风能利用率，因而对水平轴风力发电系统研究较多；后来随着研究的深入和新型叶轮形式的出现，人们慢慢认识到有些垂直轴型风力发电系统不仅叶尖速比能达到1，甚至还能达到6，变逐渐对垂直轴风力发电系统产生了新的兴趣7。 按发电机类型来分又可分为以下几种：鼠笼型异步发电系统、绕线式异步发电系统、双馈型发电系统、无刷双馈发电系统以及永磁直驱风力发电系统等。其中双馈型发电系统和永磁直驱风力发电系统是现如今最常见的两种用于风力发电的发电系统。 在风力发电发展的早期阶段由于电力电子技术的限制，人们对风力发电系统研究主要集中于恒速恒频型风力发电系统，即发出固定频率的电能必须要在风速合适的情况下。这种恒速恒频风力发电系统对风能利用效率低，平均工作时间短。近年来，控制技术以及电力电子技术得到飞速的发展，进而提出了变速恒频风力发电系统，在变化风速的情况下，通过对叶轮迎风角或电机转速的控制实现恒定功率的电能输出。本文只是进行简单的风力发电系统设计，没有涉及到控制部分的内容。 2.1.1 恒速恒频风力发电系统 在恒速恒频发电系统中,风力发电时发电机的转速不变,这样就得到了和电网频率一样的恒定的电能。恒速恒频系统比较简单,它的发电机一般为鼠笼式感应发电机和同步发电机。同步发电机转速是由电机极对数和频率确定的,而鼠笼式感应发电机转速稍微高于同步转速。早期的恒速恒频风力发电系统是采用普通三相同步发电机,同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功率,频率稳定,而且电能质量高,可省去无功补偿装置。但在实际利用中，风速的变化是随机的,因此，风力机输出转矩很不稳定,同步发电机的结构及控制系统又比较复杂,并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度,成本较高,所以用在风力发电机组上使用效果不是很好8。2.1.2 变速恒频风力发电系统 为了解决恒速恒频风力发电中风能利用系数不高等问题，在上世纪七十年代提出了变速恒频风力发电技术。电机控制技术的发展成熟，以及高性能电力电子器件的出现，为风力发电实现变速恒频工作提供了技术基础。变速恒频技术能够根据风速的大小，调整风力机的转速，保持风力发电机的转速在最佳也尖速比左右，实现最大的风能捕获。实现变速恒频的技术主要有两个：一个是变桨矩控制，另一个是电机转速控制。 早期变速恒频的实现方法主要是通过变桨矩来实现，通过不同风速下调整叶片的攻角来改变风力机的转速。这种方法对叶片的技术要求较高，叶片需要进行复杂的气动特性分析和设计，叶片制造成本较高。同时叶片的攻角的改变损失了部分风能，无法实现风能利用的最大化。通过对电机电磁转矩的控制来达到调整电机转速的方法是如今变速恒频研究的热点。这种变速恒频风力发电系统的拓扑结构可以分成两大类： 一种是发电机定子和电网相连，转子通过电力电子变流器和电网相连的双馈系统；另一种是通过电力电子变流器直接和电网相连的交-直-交系统9。双馈风力发电系统又可分为双馈异步风力发电和无刷双馈风力发电系统。双馈发电系统是风力发电中一种重要的结构，已经得到了大范围的应用，运行效果良好。由于风力机的转速较低，而异步电机和普通同步电机需要在转速较高时才能有良好的工作特性，因而这种系统需要齿轮箱对叶轮的转速进行变比，然后与发电机相连发电。齿轮箱的结构复杂、造价较高，给系统的稳定运行和维护都带来了较多问题。交直交变速恒频风力发电系统按照发电机的种类大致可以分成异步型风力发电系统和永磁同步型风力发电系统。鼠笼型异步发电机结构简单、结实耐用。它的定子经过变流器和电网相连，通过控制变流器的电流和功率等因素来实现对机侧转速控制和网侧并网控制。这种结构主要有两个方面的问题，一方面是上面所提到的齿轮箱的问题，另一方面由于全部的能量都需要经过变流器送入电网，对变流器的功率和耐压等级都较高，需要大容量的变流器。2.1.3 永磁直驱风力发电系统随着电力电子控制技术以及更高电压电流等级开关器件的出现，大容量变流器的研制中遇到的困难日渐解决。这为直驱型风力发电系统的研究奠定了一定的基础。本文着重对无齿轮箱的永磁直驱型风力发电系统进行研究。永磁同步电机的低速特性良好，无需齿轮箱就能实现较好的风能捕获和利用。减少了齿轮箱环节后，一方面减少了齿轮箱可能给系统带来的影响，另一方面降低了在齿轮箱上的功率传递损耗，提高了整个发电系统的风能利用率。风力机是低速旋转机械，一般运行在每分钟几十转，而发电机要保证发出50Hz的交流电，如采用4级发电机，其同步转速为1500r/min，所以大型风力发电机组在风力机与交流发电机之间装有增速齿轮箱，借助齿轮箱提高转速。如果风力发电系统取消增速机构，采用风力机直接驱动发电机，则必须应用低速交流发电机。 直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动的低速发电机。采用无齿轮箱的直驱发电机虽然提高了发电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性，可以避免增速箱带来的诸多不利，降低了噪声和机械损失，从而降低了风力发电机组的运行维护成本，这种发电机在大型风电机组中占有一定的比例。因发电机工作在较低转速状态，转子极对数较多，故发电机的直径较大、结构也更复杂。目前在实际风力发电系统中多使用低速多极永磁发电机。直驱永磁发电机与双馈式风机相比主要优势如下表10。表2.1 直驱永磁发电机与双馈异步发电机比较表性能永磁直驱式与双馈式风机比较分析电网兼容性永磁风机更强具有优越的低电压穿越能力，可在电网干扰期间内保持接入电网。可靠性永磁风机更可靠直驱永磁风机省去了齿轮箱及其部件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。防护等级永磁风机更高机舱、发电机、轮毂采用内正压技术，可有效防止潮湿、盐雾、沙尘的进入，防护等级高。发电效率永磁风机更高采用叶轮直接驱动发电机发电，无需电励磁，减少了电能损耗；同时，没有齿轮箱等中间部件，传动链短，减少了传动损耗，提高了发电效率。维护成本永磁风机较低采用无齿轮直驱技术，减少了风力发电机组零部件数量，避免了齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护的成本。2.2 风电机组主要参数风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映，如下表，以某型号1.5MW机组为例列出了其主要技术参数1。表2.2 某型号1.5MW机组的主要技术参数参数数值参数数值额定功率/kw1500齿轮箱结构形式一级行星轮+两级平行轴斜齿圆柱齿轮转子直径/m77变桨距控制方式独立电动变桨距控制塔架高度/m65制动方式独立叶片变桨距控制+盘制动切入风速/(m/s)3偏航控制系统四个电动齿轮电机额定风速/(m/s)12发电机类型感应式带集电环发电机切出风速/(m/s)20发电机极对数4转子上风向、顺时针转动额定功率/kw1500叶片数3功率因数0.9-1.0偏角/度4电网连接通过变流器转速范围/（r/min）11-20塔架锥形钢筒塔架2.2.1 风轮直径与扫掠面积 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为1 （2.1）式中，S为风轮的扫掠面积， （2.2）式（2.2）表明，风轮直径D增加，则其扫掠面积与成比例增加，其获取的风功率也相应增加。早期的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在70-80m范围，目前已有风轮直径超过100m、额定功率超过若干兆瓦的风电机组投入商业运行。2.2.2 轮毂高度 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，也是风电机组设计时要考虑的一个重要参数，由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。2.2.3 叶片数 风轮叶片数是组成风轮的叶片个数，用B表示。选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。 采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47,对应叶尖速比约为7。 双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为告诉风轮。相比之下，多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为慢速风轮。当然，多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。 风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。因此用于衡量风轮转矩性能的另一个重要参数是转矩系数，它定义为功率系数除以叶尖速比。 从上述分析看，三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。2.2.4 额定风速、切入风速和切出风速 风电系统输出的电功率与机组设计风速密切相关，所谓设计风速一本包括额定风速、切入风速和切出风速。 额定风速是指风电机组达到额定功率对应的风速，额定风速的大小直接影响机组的总体构成和成本。额定风速取决于风电机组所在区域的风能资源分布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则评估额定风速。 切入风速和切出风速也是反映机组功能的重要设计参数，切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下的性能。切出风速则主要用于在极端风速条件下，对机组进行停机保护。当风速达到切出风速时，机组将实施制动停机。2.2.5 风轮转速、叶尖速比 叶尖速比是描述风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比，即 （2.3）式中，R为风轮的最大旋转半径，或叶尖半径（m）；为风轮角速度（rad/s）；为风速（m/s）。图2.1 定桨距风力机性能曲线 对于特定的风轮形式，其功率系数与叶尖速比的关系曲线确定，如图（2.1）中三叶片风轮的曲线，形状如同一个山包。在某一叶尖速比值处，功率系数达到最大值，此时风轮吸收的风能最多，对应的叶尖速比值成为最佳叶尖速比。风电机组的风轮的主要设计目标是尽可能的多吸收风能，因此在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。由于风速是连续不断变化的，因此需要对风轮的转速进行控制，使之与风速变化匹配。对于风轮转速的控制有恒速、双速和变速控制等多种方式，相关内容见本章2.1节。第3章 永磁直驱风力发电系统数学模型3.1 系统整体结构 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。本文研究的是离网型风力发电系统的建模仿真，所以不需要接入电网，只需将发电机发出的交流电整流即可。直驱型风力发电系统主要包含风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统、控制系统等。其系统结构如下图。图3.1 风力发电系统结构图 风力机和永磁同步发电机通过轴系直接耦合，使系统的可靠性得到提高，由于不存在齿轮箱连接部件，降低了系统的运行噪声，也使发电机的维护工作量大大降低。风力机输出转矩驱动永磁同步发电机发电，发出的交流电经整流器整流，滤波后逆变，最后送给用户，整流后还可给蓄电池组充电备用。本文只需考虑逆变之前的部分,同时由于能力及所学知识有限，控制电路部分没有进行仿真设计。3.2 风速模型 由于风速具有随机性和间歇性的特点，本文中的风速模型采用四分量叠加法的风速模型，即基本风、阵风、渐变风、随机风这四种风速13。基本风即为年平均风速。阵风描述的是风速突然变化的情况，阵风数学模型为 （3.1） 渐变风描述的是风的渐变特性，其数学模型为 （3.2） 随机风模拟的是风速变化的随机特性，在建模时用随机数代替。3.3 风力机模型风力机是用来捕捉风能 并将捕捉到的风能转化为机械能的装置，其捕捉风能的多少决定了整个风力发电系统的有功出力的多少。风力机基本特性，即风轮的空气动力特性，通常由一簇包含风能利用系数和叶尖速比的无因次性能曲线来表达。叶尖速比可以表示为 （3.3）式中，为风力机风轮角速度（rad/s）；为叶片半径（m）；为主导风速（m/s）。代表了风轮从风能中吸收功率的能力，它是叶尖速比和浆距角的高阶非线性函数，理论研究中可采用以下函数计算： （3.4） （3.5）根据式(3.4),（3.5）风能利用系数随叶尖速比变化的曲线如图（3.2）所示。图3.2 风力机性能曲线 可以看出曲线对桨距角的变化规律：当叶片桨距角逐渐增大时，曲线将显著的缩小。如果保持桨距角不变，用一条曲线就能描述出它作为的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。 一台风轮半径为R的风轮机，在风速为v时，所产生的机械功率为 （3.6） 机械转矩为 （3.7） 式中，为空气密度（）；为风轮半径（m）;为风轮机的功率系数;为桨距角；为风速。3.4 永磁同步发电机模型永磁同步发电机不需要电励磁，具有效率高、运行可靠、噪声小，维护量小、风速适应范围宽，控制简单、有功和无功控制灵活等诸多显著优点，在风力发电系统中越来越受到欢迎。直驱风力发电机的风轮机与低速永磁发电机轴直接结合在一起，风速随机性变化，然后风机的转速也跟着变化，导致发电机的转速也随之变化。为了简化永磁同步发电机的数学模型，假设永磁同步发电机为理想电机14：1） 忽略发电机铁芯的饱和；2） 转子上没有阻尼绕组，忽略发电机中的涡流损耗和磁滞损耗；3） 不考虑在不考虑在电机运行时永磁体磁链会受到外界条件的影响,也就是说,认为永磁体工作时的磁链为一固定常数,且永磁体在转子旋转时产生的感应电动势是正弦。 为了分析永磁同步发电机的动态性能，基于旋转坐标轴建立起数学模型如下 电压方程 （3.8） 磁链方程 （3.9） 电磁转矩方程式中，、分别为电机端电压轴分量；、分别为定子磁链轴分量；、分别为定子电流轴分量；为发电机中永磁体建立的磁链幅值；、分别为轴同步电感；为电角速度；为发电机转子极对数。 由上面给出的公式可知，永磁同步发电机的电磁转矩与定子q轴电流成正比，调节电流即可调节永磁同步发电机组的电磁转矩，从而调节永磁同步发电机和风力机的转速，是永磁同步发电机与风力机达到最佳输出状态。在MATLAB仿真平台中有封装好的模块，直接调用即可。3.5 变流器模型 根据拓扑结构,直驱式风力发电系统主要可以分为以下几种:1)不可控整流器+晶闸管逆变器;2)不可控整流器+PWM逆变器;3)不可控整流器+Boost电路+ PWM逆变器;4) PWM整流器+PWM逆变器。在此提出两种常用变流器拓扑结构。 3.5.1 不可控整流器+BOOST电路+PWM逆变器图3.3 不可控整流器系统结构图 图（3.3）为常见的变流器结构之一:不可控整流器+Boost电路+PWM逆变器。 发电机发出的交流电的幅值和频率都是不断变化的,在频率和幅值不断变化的交流电后接一个不可控整流器,把交流电转化为直流电。因为使用的是不可控的整流器,它具有有非线性特性,这样输出来的电流具有很大的谐波,发电机的功率因数会因此降低,如果谐波含量较高,严重时会发生振荡。直流电通过不可控整流器整流输出时，电压值比较低,这样PWM逆变器的运行特性变差。因为存在上面的问题,我们在整流器和逆变器中间增加了一个环节,加入DC-DC boost升压电路结构,来起到升压作用,把直流电的电压升高,达到PWM逆变器的要求,这样会有效地提高PWM逆变器的工作效率。 但是,因为不控二极管整流桥具有非线性特性,它的使用会使得整流桥输入侧的电流特性发生严重畸变,降低发电机的效率,也增加了电路内部损耗。此外,Boost升压电路在工作时要借助直流电感进行能量的存储和释放,由于电感中流过单极性脉动电流,造成电感严重偏磁,极易饱和,所以需要采用大气隙甚至空心电感,这将大大增加电感的体积、重量和成本。3.5.2 PWM整流器+BOOST电路+PWM逆变器图3.4 PWM整流系统结构图 PWM整流器+BOOST电路+PWM逆变器结构图如图（3.4）所示。 将图（3.3）中的不控整流桥部分换成PWM整流器得到如图（3.4）所示的背靠背结构,所以该设计方案也叫背靠背PWM变流器结构。釆用PWM整流技术,将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。这种结构中,发电机的PWM整流器通过调节定子侧的交直轴的电流,控制发电机输出的电磁转矩和定子的无功功率大小,一般会把无功功率设定为0。这样当发电机运行在变速恒频状态时,小于额定风速,也可以捕获最大风能；网侧的PWM逆变器也是通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,并把有功功率和无功功率的控制解耦开来,控制流向电网的无功功率,通常运行在单位功率因数状态。综合对比上述各种方案的优缺点,考虑成本和设计难度等因素,本文选用不可控整流器。第4章 系统MATLAB建模与仿真4.1 系统仿真模块设计 因为电力系统电压等级和安全等因素的要求,仿真是电力系统分析的有效途径之一。以前的电力系统数字技术仿真技术,往往局限研究人员自己进行建模仿真。其数学模型是否真实描述实际情况,将在很大程度上影响到仿真是否取得成功。Matlab是当前比较通用的一种仿真软件,它具有强大的控制和仿真能力,并开发了电力系统仿真工具箱(Simpower)18,在电力电子和电力系统中均有广泛的应用。风力发电系统是电力电子与电力系统的结合,本论文采用Matlab/Simulink仿真软件,对永磁直驱风电系统的所有模型进行建模和仿真。本章按照第三章中的风力发电系统的数学模型建立仿真模型,对风力发电系统进行仿真研究。系统仿真图如下，在下面的小节中会有各个模块的介绍。图4.1 系统仿真图4.1.1 风速仿真模型 根据上一章关于风速的数学模型在MATLABSIMULINK中建立仿真模型，需要输入的参数有:阵风起始、持续时间,阵风的峰值风速,渐变风的开始、终止和保持时间, 渐变风的峰值风速以及基本风的风速。仿真模型如下图。图4.2 风速仿真模块上图为系统仿真图中wind子模块内部结构，从上到下分别为渐变风、阵风、随机风、基本风。输出为风速（m/s）。4.1.2 风力机仿真模型 下图是由风力机数学模型建立的风力机仿真模型，输入为风速和发电机转速，输出为风力机转矩和功率。图4.3 风力机仿真模块4.1.3 永磁直驱发电机模型 永磁直驱同步发电机模型直接在SIMULINK仿真库中调用，Tm为输入转矩接口，m为发电机各运行参数输出接口。A,B,C为输出三相交流电。图4.4 发电机仿真模块4.2 仿真参数设定4.2.1 风速仿真模型参数 渐变风最大值设为3m/s,起始时间为0s，终止时间为2s，各参数设置在simulink中用constant模块实现;阵风最大值为3m/s,起始时间为0s，终止时间为2s，同样也用constant模块修改;随机风用random number模块实现，参数设置如下图，为了便于观测风速波形，random number模块中平均值（mean）设为0，方差（variance）设为0.01，初始值设为0；基本风用constant模块设为3.5m/s。风速模型没有输入，输出为风速。图4.6 随机风参数设置图4.7 风速仿真波形4.2.2 风力机仿真模型参数 风力机参数包括切入风速、切出风速、风轮半径、桨距角、空气密度等。风力机的输入为风速和发电机转速，其中发电机转速是由永磁同步电机反馈回来的，风速由风速模型输出；风力机输出为风力机发出功率和转矩。 本次设定切入风速为2m/s，切出风速为10m/s，风轮半径为1m，为，取1.225kg/。4.2.3 永磁同步发电机仿真模型参数 永磁同步发电机在MATLAB/simulink中有已经建好的模型，直接调用即可。永磁同步发电机的输入为转矩，由风力机提供；输出为三相交流电，同时其还有一个测量端口，输出发电机的各项参数，包括定子电流，定子电压，转子转速，转子转矩等。永磁同步发电机具体参数具体如下图。图4.7 永磁同步电机参数设置4.2.4 变流器仿真模型参数 变流器采用三相桥式不可控整流，在simulink中选择Universal Bridge模块，在参数设置对话框中Power Electronic device项选择Diodes，即为三相不可控整流桥，其他参数不变。图4.8 不可控整流器参数设置4.3 仿真结果及分析 本节根据建立的PMSG风力发电系统仿真模型，在给定不同的风速值的情况下进行仿真研究。 设定风速为10m/s，下图（4.9），（4.10），（4.11）分别为发电机转矩、定子电压（三相中的一相）、转子转速、定子电流（三相中的一相）、直流侧电压波形。以下所有图中，横坐标均为时间（单位：s）。图4.9 发电机电磁转矩Tn及定子电压Vs波形 图4.10 发电机转子转速及定子电流波形图4.11 整流器直流侧电压 改变风速，设为5m/s，重新检测上面的参数波形，结果如下：图4.12 转矩及电压对比图图4.13 转速及电流对比图图4.14 变流器直流侧电压对比图 仿真结果表明，对风速、风轮、发电机等各个部分建立的数学模型正确，仿真结果与实际相符。4.4 本章小结 本章针对文中所设计的小型风力发电系统结构，分析了各个部分的原理和风力机的特性曲线，建立了各部分的数学模型及整个系统的仿真模型，给出了风力发电系统的特性模拟结果，包括斩波器的特性仿真、发电机在不同风速下的发电机定子电流模拟仿真、发电机转速以及直流侧输出电流的对比仿真。仿真结果证明本文设计的小型风力发电系统在理论上是合理的。 第5章 总结与展望5.1全文总结 风力发电近几年迅速崛起,尤其直驱风力发电成为未来发展方向。在阅读了大量中外文献的基础上,本论文对直驱风力发电变流系统进行了深入研究。永磁同步电机控制灵活,具有较好的性能,应用于风力发电系统时,可与风机直接相联,形成结构紧凑、效率较高的直驱式风电系统。风力机是风力发电系统实现机电能量转换的主要部分。 本文从分析风力机的相关理论入手，对模拟系统的控制方法进行了较全面的研究，通过仿真软件模拟了整个风力发电的过程。将永磁同步电机应用于直驱风力发电系统,在Matlab仿真环境下对风力发电系统进行了仿真研究,同时对风力机模拟进行了研究分析,论文工作总结如下: 首先，介绍了本课题的研究背景，阐述了课题的目的和意义，综述了国内外风力发电的现状和风力发电技术的发展和研究现状，明确了本文研究内容。 其次，针对文中的小型风力发电系统结构，分析了各个部分的原理和风力机的特性曲线，建立了各部分的数学模型及整个系统的仿真模型。 紧接着，本文给出了永磁同步电机基本工作原理,分析磁链和电势、电感等静态特性,在此基础上建立了永磁同步电机的数学模型。 最后，使用Matlab软件对整个风力发电系统进行了仿真实现,同时也仿真验证了风力机模拟的可行性,给出了实验波形，并对实验结果分析,比较波形与理论的区别。5.2课题展望 本文是基于理论的研究，结合仿真得到的一些有意义的结论，为风力发电系统的实际工作，建立了一个良好的开端。由于作者水平和时间有限,仍然有许多问题需要作进一步研究,具体有以下几个方面: 第一，风力发电技术是一个相对较新的领域，其技术涉及空气动力学，机械学，控制理论，电力电子技术，计算机技术。对于变速恒频风力发电技术，还有很多的问题需要进行深入的研究。由于风的变化是没有规律，风力发电系统运行在一个不断变化的环境中，因此对系统的可靠性具有非常严格的要求。本文对风电系统的建模主要基于理论上理想的数学模型，忽略了很多因素可能对风电系统产生的影响。 第二，本文仅仅是对风力发电的过程进行了简单的仿真模拟，没有涉及到更复杂的控制电路部分，虽然介绍了一些控制策