课程设计任务书

1、盐城工学院课程设计说（2015）目录1. 摘要22. PSCAD 软件简介33. PSCAD 样例说明43.1 直流电机样例功能与工作原理分析43.2 直流电机样例3.3 直流电机样例3.3.1 转速特性模型的建立过程6结果分析10n=f（ P2 ）113.3.2 转矩特性113.3.3 转矩-转速特性（机械特性）114.永磁风力发电机模型的建立134.1 永磁风力发电机工作原理分析(包括方法分析)1341.1 永磁同步电机的数学模型134.1.1.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型144.1.2 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型164.2 机侧系统的策略分析184.2.1

2、风力机的最大风能捕获原理184.2.2 永磁同步电机的4.2.3 永磁直驱型风力4.3 直驱型风力发电系统的策20模型22模型244.3.1 风源及风机模块244.3.2 负载电路244.3.3 闭环模块28结果分析304.45. 过程中遇到的问题及解决的方法316. 心得体会327. 参考文献33附录34附录 1：直流电机样例电路图34附录 2：永磁风力发电机电路图35附录 3：永磁风力发电机原理图361盐城工学院课程设计说（2015）1. 摘要随着环境污染的加剧和能源的加深,风能开发等新能源利用技术成为世界研究的热点课题。永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本优点而成为研究

3、的重点机型,掌握其运行特性和提高风电机组的风能捕获效率是风力发电领域的重要研究课题。最大功率跟踪(MPPT)策略是提高风电系统功率转换效率的重要方法。本文系统研究了风力发电系统的运行原理,对永磁直驱风力发电系统进行了详细的理论研究,重点研究基于爬山搜索法的最大风能追踪法,以期实现系统的优化及可靠运行。策略,并提出了相应的目标和实现方首先介绍了课题的研究背景和意义,综述了国内外风力发电发展概况;为简化结构、降低成本及提高可靠性,本文提出了包含永磁同步发电机、二极管整流桥及斩波器的改进型的小型风力发电系统结构;在分析系统工作原理基础上,建立系统部件的数学模型及完整的系统模型。现有的永磁直驱风力发电

4、系统,基于 PSCAD/EMTDC软件搭建了相应的平台,开发了改进型的小型风电系统模型。2盐城工学院课程设计说（2015）2.PSCAD 软件简介PSCAD/EMTDC（全称 Power Systems Computer Aided Design）是世界上广泛使用的电磁暂态软件， EMTDC 是其计算， PSCAD 为 EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）提供图形操作界面。最早版本的 EMTDC由Dennis Woodford 博士于 1976 年在水电局开发完成。在 1975 年开始编写。编写这个程序的原最初的 EMTDC 代码由.因是

5、因为当时现存的研究工具不能够满足电力局对河高压直流工程进行强电EMTDC和灵活的研究的要求。自此之后程序被不断开发，至今已被广泛地应用在许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。开始时在大型计算机上使用。然后在 1986 年被移植到 Unix 系统和以后的Windows 系统上。PSCADPSCAD/EMTDC 采用时域分析求解完整的电磁和机电两个系统)，结果不仅非常精确。更值得一提的是它及微分方程(包括电用户在一个完备的的同时，可以改变图形环境下灵活地建立电路模型，进行分析，用户在参数，从而直观地看到各种测量结果和参数曲线，极大地方便用户提效率。PSCAD 里面提供丰

6、富的元件库，从简单的无源元件到复杂的真的乐趣和模块，以致电机、FACTS 装置、电缆线路等模型都有涵盖。如果这些还不够你用的话，PSCAD用户自定义的方式全新定义一个模块；新模块可以由元件提供的模块组合形成，当然你干脆用 FORTRAIN 写一个，也没问题，但前提是可以正确运行。其自带的范例对于初学者来说，也是非常有用的，包括了各种典型的研究对象，初学者可以从这些典型模型上修改开始，直至发展成为想要的研究对象。3盐城工学院课程设计说（2015）3.PSCAD 样例说明该样例通过 PSCAD 进行模拟实验，实现了对改变直流电机的转矩和输入输出负载时直流电机的输入电流和输入电压的变化情况的研究。并

7、且在一定范围内，实现了数据的灵活可调，是结果更加具有多样性。3.1 直流电机样例功能与工作原理分析图 3-1 直流电机主电路图如图 3-1 所示，左侧单相电压源给直流电机供电，且 Ra-ext 可调；上方为负载，负载电阻 Rf-ext 可调，固定负载为 1 兆欧姆；右侧为机的转速和转矩。电路，可以显示出直流电盐城工学院课程设计说（2015）图 3-2 参数调节电路如图 3-2 所示，该部分为两个电阻的阻值选择电路，Ra 可直接由下方的面板调节，Rf 由一个双向选择开关（Re 和 30.0 二选一）和一个单输入比较模块共同决定，转矩 Tm 也可以在此面板。5盐城工学院课程设计说（2015）3.2

8、 直流电机样例模型的建立过程图 3-3 直流电机模型首先选取直流电机模型，如图 3-3 所示。这个模块是一个两个绕组的直流电机， 电枢端子（右边的+和-）和磁场绕组端（+和-）可作为外部电气连接，这使得它可以对他励电机，并联机床或一系列机进行。典型的连接和与直流机多质量模型的使用包括作为实例例，包括与您的 PSCAD 软件。这些可以在 PSCAD 安装目录中找到（即pscad400实例）。其中 W 代表输入的机械转子转速（标值表示），Te 代表电机产生的输出转矩（标值表示）。图 3-4 单行电流源及阻抗模块第二步，如图 3-4 所示，选取单相电流源模型，该模型的的单相交流或直流电压源，在源阻抗

9、可能被指定为理想（即无穷大）。如图 3-5 所示,电阻是一个线性的电器元件，其阻值保持为一个固定的模拟值。6盐城工学院课程设计说（2015）电流表是用来创建一个信号，它表示电流（KA）流经分支。这个信号是由用户指定一个名称。信号，该名称必须作为数据上的线或组件的输入，如图3-6 所示。电流表试图找到一个 R，L 或 C 系列本支然后措施，通过它的电流。如果一个串联支路中不难发现，组件本身将作为一个理想的分支（零阻抗）。一个理想的短路而增加不必要的负担，速度和应该避免，除非绝对必要的。有时可能需要添加一个小电阻与电流表串联使测量更有效。在这种情况下，你知道有没有可用的串联支路（测量电流在传输线或

10、变压器为例），你可以考虑增加一个小的串联电阻与仪表避免强迫理想的支。电压表是用来创建一个信号，它代表了电位差（千伏）中的两个节点之间的电路图。这个信号是由用户指定一个名称。接入信号，用户必须使用名称作为数据上的线或组件的输入连接。一个特殊的电压叫电压表（接地）也可以方便地测量节点。搭建电流表和电压表之后，电源模块就完成了，如图 3-6 所示图 3-6 输入电源模块第三步，参照上述步骤，搭建负载模块，如图 3-7 所示，选取单相电流源模型， 该模型的的单相交流或直流电压源，在源阻抗可能被指定为理想（即无穷大）。如图3-5 所示,电阻是一个线性的电器元件，其阻值保持为一个固定的模拟值。图 3-7

11、负载模块第四步，如图示，搭建可调电阻及转矩电路。其中，用到的元器件有：7盐城工学院课程设计说（2015）1. 输入选择器：该组件的输入将信号连接到 A，或信号连接到 B，这取决于值。2. 数/整数输入滑块：该滑块是专业的用户界面控件的一部分，其中用户可以手动调整输出的模拟运行期间。这个家庭的组件还包括旋转开关（拨号），两状态开关和按钮。3. 入比较器：此组件的两个值之一的输出，根据输入信号是否高于或低于输入阈值。如果启用插值兼容性，然后内插信息（即确切的时间输入入门）由设备产生并发送到输出。当插值是利用这种装置非常准确，即使在更大的时间步。实模块：这部分主要是用来指定一个实型常量的值在数据信号

12、线，或一个组件的输入。4.信号变量：该组件主要用于指定所选择的件的输入。该组件的输出是通过改变该项目的时间值到数据信号线，或一个组时间调整。EMTDC 输入变量，使这些变量5.（因此中描述仪表：在 PSCAD 特殊对象用户结果）可以在运行过程中改变。这些对象和如何使用它们在以下章节面板是一个用于容纳或仪表界面的组件可以放置在页面的任何地方的一个项目。一旦如你所愿。面板增加了，然后你可以继续添加的或仪表接口，它图 3-8 参数调剂电路第五步，绘制输出波形8盐城工学院课程设计说（2015）一个图是一种特殊的运行时对象，可以只居住在一个图形框架。有两种类型的 PSCAD 可用图：覆盖和聚图。一个单一

13、的图形可以显示多条曲线，在曲线图中的所有曲线都是基于相同的 Y 轴刻度。以下说明的顶端有一个覆盖图和它下面的测谎图形框架。一旦多个图形已被添加到一个特定的图形框架，你可以改变它们出现的顺序。盐城工学院课程设计说（2015）图 3-9 图模块3.3 直流电机样例结果分析10盐城工学院课程设计说（2015）图 3-10结果波形图3.3.1 转速特性 n=（f P2 ）根据得到转速公式从上式中可以看出，在端电压 U、励磁电流 If 均为时，电的转速 n 只与电枢总电阻压降 IaRa 及电枢反应有关。当输出功率 P2 增加时，电枢总电阻压降IaRa 也增加，使转速 n 趋于下降；而电枢反应的去磁作用又

14、会使电机的转速 n 增加。这两个因素对转速的影响部分抵消，使电机的转速特性曲线如图 3-40 所示。具有稍微下降的转速特性（较硬，接近于恒速）。如图 3-10 所示。反映转速变化大小的性能指标是转速调整率在实际运行中，应特别注意：励磁绕组绝对不能断开（或绝不能先断开励磁电源）。从上式可知，若先切断励磁电源，则气隙磁场很小（即每极磁通量很小），电枢电流迅速增大此时若负载为轻载，则电的转速将迅速增大，造成“飞车”现象。此时若负载为重载，则电可能停转，使电枢电流迅速增大到起动电流造成烧毁电机事故。3.3.2 转矩特性据转矩方程得出转矩特性曲线如图 3-10 所示。当转速为时，则转矩特性应为一条过（0

15、，T0）点的直线。因转速 n 会随输出功率 P2 的增大而稍微下降，故并励电特性曲线略微向上弯曲。的转矩3.3.3 转矩-转速特性（机械特性）转速与转矩的关系表11盐城工学院课程设计说（2015）得特性曲线如图 3-10 所示。从上式中可看出，因励磁回路电阻 Rf 为，在端电压 U=UN=Uf，且不计电枢反应时，为，又故并励电的机械特性曲线是一条稍微下降的直线。若计及磁饱和，电枢反应呈略去磁作用，电机的空载转速会增大，直线的斜率亦会增大。12盐城工学院课程设计说（2015）4.永磁风力发电机模型的建立4.1 永磁风力发电机工作原理分析(包括方法分析)本章基于背靠背双 PWM 变流器拓扑结构机侧

16、系统的技术展开研究。直驱型风力发电系统中的永磁同步发电机，可通过机侧变流器的使其电流几乎为正弦，并有效的其转矩和转速，提高发电机的效率，降低发电机和变流器的设计容量，使系统的运行更加稳定，也可有效地解决等带来的效率低的问题。中低次谐波和同步电抗基于背靠背双 PWM 变流器直驱型风力发电系统的主电路结构：两个变流器通过直流侧大电容相连。网侧变流器的作用主要是稳定直流侧母线电压，并向电网输送所需的电流及提供灵活的有功和无功功率；机侧变流器的主要作用是将永磁同步发电机发出的频率和电压幅值变化的交流电整流成直流电，电机转速、转矩和电机的电流波形，实现最大风能捕获，以提高电机的运行效率和稳定性。由于基于

17、主动整流拓扑的电机侧变流器与网侧变流器的拓扑在结构上相同，因 此二者在数学模型的建立和策略推导上有很多相似之处，如坐标变换、PWM 调制等等。本章将不再重复这部分内容，而是主要略展开研究。永磁同步电机的数学模型、风机最大风能捕获原理及其策41.1 永磁同步电机的数学模型图 4-1 基于主动整流拓扑的电机侧变流器主电路图图 4-11 为直驱型风力发电系统的机侧主电路。isx 为定子相电流， usx 为电机各相端电压，x=a，b，c；从变流器直流侧看网侧变流器可等效为一个直流源udc ；13盐城工学院课程设计说（2015）Q1 Q6 为变流器主开关管；为方便分析，电机定子电流以电动方向为正。永磁同

18、步电机按工作原理不同，可分为正弦波永磁同步电机和方波无刷直流电机。本文采用正弦波永磁同步电机，其励磁由磁铁来实现，不需要定子额外提供励磁电流。另外，由于 15MW 直驱型风力发电系统中永磁电机的功率较高，因此需选择低速多极高功率因数的永磁同步电机。永磁同步电机根据转子上安装永磁体结构的不同，一般可分为表面贴装式和内嵌式两种，根据本文风电系统的特点选择了面贴式内转子结构的永磁同步电机。表面贴装式的永磁同步电机是在转子铁芯外表面贴永磁体，永磁体通常为瓦片形，这种电机结构简单、制造方便、转动惯量小。表面凸出式的转子结构属于隐极式转子结构，其横纵电感相同且与转子位置无关，故这种结构的永磁体磁极易于实现

19、最优化设计，使电机气隙磁密波形接近正弦波，从而减小磁场谐波和效应，提高了电机的运行性能。目前大功率直驱型风力发电系统的永磁同步电机大多都采用这种稀土永磁材料的表面转子磁路结构。4.1.1.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型在实际应用中永磁低速同步电机由于铁芯饱和及极靴和附加气隙的磁滞损耗等，漏磁导和漏磁系数均为变量，使得电机运行矢量的分析复杂。因此，为了简化分析，在建立数学模型过程中作如下假设：(1) 忽略铁芯饱和，不计涡流和磁滞损耗；(2) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；(3) 转子磁场在气隙空间分布为正弦波，且定子电枢绕组中的感应电动势也为正弦波； (4)不考虑电机运

20、行时外界条件(如温度)对永磁体磁链的影响，认为永磁体工作时磁链为一。图4-2 为一台二极永磁同步电机的等效物理模型，坐标系及各量的正方向如图4-2 所示。图中，定子三相绕组轴线 A、B、C 是静止的，取发电机永磁体磁极的轴线为d 轴，与 d 轴正交的是 q 轴，超前 d 轴 900，d-q 同步旋转坐标在空间中以同步角速度织随转子一起旋转，用 d 轴与 A 轴之间的夹角 q 来表示转子位置角。（1）电压方程三相静止坐标系下定子电压方程可表示为14设计说（2015）（2）磁链方程定子绕组的磁链是由各绕组自感磁链和其他绕组的互感磁链及转子磁链组成的，定子磁链方程为（3）运动方程低速永磁同步发电机内

21、部电磁关系的建立，离不开输入机械转矩及由此产生的电磁转矩之间的平衡关系。转矩之间的平衡关系为：式中， Tm 为原输入的机械转矩； Te 为电磁转矩；B 为摩擦系数；J 为系统的转动惯量： wr 为机械角速度。图 4-2 同步电机物理模型15盐城工学院课程设计说（2015）4.1.2 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型利用坐标变换理论，将上述三相静止坐标系(abc)下的电压方程和磁链方程变换到同步旋转坐标系(dq)下，下式所示。永磁同步电机在 d、q 轴上的转矩方程可表示可以看出永磁同步发电机的电磁转矩有两部分组成，中括号内的第一0 是由定子电流和永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩；第二

22、项(kk)乙 0 是由转子凸极效应引起的磁阻转矩。对于隐极同步电机厶=k，或在运行过程中使定子电流的 d轴分量始终为零，则由此可见永磁同步电机的电磁转矩，实际上就是转矩分量。定子电流的 q 轴分量，及其消去磁链，可得永磁同步发电机在同步旋转坐标系下的数学模型表：16盐城工学院课程设计说（2015）可得永磁同步发电机在同步旋转坐标系(dq)下的等效电路图 4-3 永磁同步发电机d、q 轴等效电路17盐城工学院课程设计说（2015）4.2 机侧系统的策略分析4.2.1 风力机的最大风能捕获原理在风力发电系统中，风力机作为原，将风能转化为机械能，是整个风电系统能量转换的重要部件。风能大小与风速和风能

23、密度有关，常用的计算公式如下：由空气动力学原理可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被风轮吸收利用，可以定义一个风能利用系数Cr ，它是风力机吸收功率与通过叶轮旋转面的全部风能的比例，直接反映风力发电系统对风能的利用率，与桨距角b 和叶尖速比l 密切相关。其中， b 为叶片翼弦与叶片旋转角的夹角， l 为叶片的叶尖线速度与风速之比。所以风力机的输入功率为根据理论，理想桨叶的最大风能利用效率为Cp max =1627=0593，考虑到阻力、叶尖损失以及叶片设计并非完美等因素，实际系统中Cp max 的最大值远远低于极限，一般仅达到 0.47。功率系数Cp 是b 和l 的函数，图 4-4 给出了功率系

24、数Cp ( b ，l )曲线。可见，在桨距角一定时，随着风速和风机转速的变化，存在一个最优叶尖速比lopt ，使功率系数为最大值；当叶尖速比一定时，随着桨距角的增大，功率系数呈下降趋势。因此，要实现风能的最大功率跟踪，必须根据风速大小来调节发电机的转速， 从而维持最优叶尖速比。当风速低于额定值时，即最大功率跟踪阶段，通常保持桨距角不变，来获得最大风能利用系数：当风速超过额定值时，由于风力发电机组的机械强度、发电机及变流器容量限制等因素的影响，必须降低风机的能量捕获，使输出功率维持在额定值附近，从而避免强风对风机造成损害，这需要通过机组功率调节来实现，常见的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调

25、节和主动失速调节三种。18盐城工学院课程设计说（2015）图 4-4 功率系数曲线本文主要分析在额定风速以下的最大的风能捕获，当风速改变时，风机转速相应地改变以保持最优叶尖速比，从而获得最大输出功率。由图 34 可知，当桨距角b一定时，存在一个最佳叶尖速比lopt ，对应最大的风能利用系数Cp max 。由可知，在风速不断变化的过程中要保持l = lopt ，必须使风机的转速wm 随风速按照一定的比例 Kopt = lopt / Rm 变化，才能保证最大风能捕获。由于在直驱型风力发电系统中，没有齿轮箱的耦合，风力机的转速等于永磁同步发电机的转速， wm = wr ，调节发电机的转速随风速变化即

26、可实现最大功率点的跟踪。图4-5 为不同风速下风力机输出的机械功率与风力机转速关系的特性曲线。其中，n1 、n2 、n3 为对应风速下风力发电系统达到最大功率输出时的风机转速。实现最大功率跟踪的具体方案有多种。其中，转速是根据风速来发电机转速，使二者符合最佳叶尖速比的关系，从而实现最大功率跟踪。也可通过功率的机械功率与转速符合最佳功率曲线来获取最大功率。不管是速度使发电机吸收还是功率来实现最大都电气参数密切相关。为了简化分析，本文采用最佳叶尖速比风能捕获，这种算法在中较容易实现，但是在实际系统中由于很难准确的测量风速信号，误差较大，不能获得很好的功率对最大功率跟踪算法进一步完善改进。效果，因此

27、在后续实际系统中还需19盐城工学院课程设计说（2015）图 4-5 功率-转速关系曲线4.2.2 永磁同步电机的永磁同步发电机的策策略与网侧变流器的电压定向和直接功率相对应，其定向策略上主要分为矢量和直接转矩两类，前者基于转子磁场，后者基于定子磁场定向，不同的目标其实现方法也不同。本文主要研究永磁同步发电机最常用的策略，即基于转子磁场定向的零 d 轴电流的矢量方法。零 d 轴电流是将永磁同步电机 d 轴电流为零，当转子磁场恒定时，则电磁转矩与 q 轴电流成正比，这是零 d 轴电流的优点之一，即电磁转矩与定子电流呈线性关系，如下式所示。通过转子磁场定向，将定子电流的矢量is 定向在永磁同步发电机

28、同步旋转坐标系的 q 轴上，即is = isq 。另外当 d 轴电流链垂直，没有去磁分量，因此可以避免由于为零时，电枢反应磁链与转子磁策略的造成永磁体退磁。定子电流全部用来产生电磁转矩，当励磁分量isd = 0 时，定子电流可获得最大转矩，实现对发电机的最大转矩。20盐城工学院课程设计说（2015）与网侧变流器分析类似，定子 d、q 轴电流分量isd 、isq 除受电压usd 、usq的影响外，还受耦合电压-we Lsdisd 和we Lsqisq 的影响。由于单纯的定子 d、q 轴电流负反馈不能实现解耦，因此需对定子 d、q 轴电流的引入前馈补偿项，实现对电流isd 、isq 的解耦q 轴电

29、流。采用前馈解耦就可实现由usd 、usq 分别的定子 d、要使实际电流跟踪给定值，需在式(313)中加入反馈制策略。当电流内环调节器采用 PI 调节器时，则usd 、usq 的量，采用前馈解耦控方程如下计侧系统转速外环的速度参考值w* 通过 MPPT 算法给出，调节发电机的电磁转矩，使得实际转速跟踪参考转速即可捕获最大风能。参考转速与实际转速相比较，在经过 PI 调节器即可得到有功电流的参考值i* 。对永磁同步发电机采用i =0 转子磁sqsd策略时，无功电流参考值i*链定向的矢量=0。sd永磁同步发电机在同步旋转坐标系下基于转子磁场定向的零如图 4-6 所示。d轴电流框图图 4-6 基于转

30、子磁场定向的零d 轴电流框图21盐城工学院课程设计说（2015）4.2.3 永磁直驱型风力模型图 4-7 为永磁直驱型风力发电变流器系统原理图，基于 a-b-c 坐标系到 d-q坐标系变换的基础上，在同步旋转坐标系下对其 d、q 轴的瞬时变量进行反馈。图 4-7 永磁直驱型风力发电变流系统框机侧永磁同步发电机采用基于转子磁场定向的零 d 轴电流策略，机侧系统为双闭环方式，外环为转速环、内环为电流环。其中永磁同步发电机的转子位置角q1 在中可以直接检测，而在实际应用中通常采用无速度传感器的方式来实现转子位置角的检测。机侧系统中，转速外环的速度参考值w* 通过最大功率跟踪算法给出，与实际的电机速度

31、w比较，再经过 PI 调节器得到有功电流的参考值i* 而sq中无功电流的参考值i* =0.。i*和i* 分别与对应的定子电流反馈值i零 d 轴电流sdsdsqsd和isq 相比较后的误差经过 PI 调节器输出，再与各自的解耦补偿前馈补偿算后得到永磁同步发电机的定子端电压usd 、usq 。电压usd 、usq 经脉宽调制后产生驱动信号，实现对永磁同步发电机的。机侧变流系统主要有转速电流双闭环回路、速度和转子位置角检测模块、a-b-c 坐标系到 d-q 坐标系变换模块和脉宽调制输出模块四部分组成。网侧变流器采用电压定向策略，外环为电压环、内环为电流环。直流环节给定电压U *和反馈电压U 相比较后

32、的误差经过 PI 调节器输dcdc22盐城工学院课程设计说（2015）出有功电流给定值i* ：，而无功电流给定值i* 由功率因数决定。i* 和i* 分别与对应的dqdq反馈值id 和iq 相比较后的误差经过PI 调节器输出，再与各自的解耦补偿电网电压扰动的前馈补偿算后得到变流器交流侧的电压Ud 和Uq 。电压Ud和Uq 经脉宽调制后产生驱动信号，实现对网侧变流器的。在网侧变流器输出电压对称的情况下，d-q 坐标系下三相逆变器输出电压的 d 轴分量为一常量，等于 a-b-c坐标系下相电压的幅值 Um，而 q 轴分量为零。由于 d、q 轴分量均为直流常量，这样有利于三相逆变器的实现。网侧变流系统主

33、要由电压电流双闭环回路、锁相环模块、a-b-c 坐标系到 d-q 坐标系变换模块和脉宽调制输出模块四部分组成。23盐城工学院课程设计说（2015）4.3 直驱型风力发电系统的模型本次通过对风力发电的模拟，实现了风力机的并网发电，使不稳定的风源输入可以变成稳定的电压输出，并且实现并网送电，满足了“幅值”“频率” “相位”三者与电网一致的并网条件。4.3.1 风源及风机模块建立风源及风机模块（即输入模块），如图 4-8 所示。图 4-8 风力机及风源模块风力机模块是一个风力叶轮机，风速和叶轮角速度作为输入项输入风力机中， 是涡轮叶片的角度和进度。TM 和 P 分别是输出转矩和功率。风源模块模拟的是

34、一个速度不定的风速来源，外部输入的 ES 可用于任何类型的风的变化可能不被定义在组件的输入。用户可以选择启用或禁用该输入。其中 Vw 代表风速，是 m/sW 代表风轮叶片角速度，Tm 代表输出的转矩，是 rad/s是 N*mP 代表输出功率，4.3.2 负载电路是 W进行负载部分（即并网部分）电路的搭建24盐城工学院课程设计说（2015）图 4-9 负载电路如图 4-9 所示，由于风速的不确定，风力机输出的电压也是不稳定的，并网条件，因此需要一个三相符合并网条件的电压。逆变电路，将不稳定的风机输出电压变为稳定的、晶闸管是一种三结四层的可控整流元件，要使晶闸通，除了要在阳极阴极间加正向电压外，还

35、必须在级加正向电压，它一旦导通后，级就失去作用，当阴极电流下降到小于维持电流，晶闸管回复阻断。因此，晶闸管的这一性能可以充分的应用到许多的可控变流技术中。在实际生产中，直流电机的调速、同步电的励磁、电镀、电焊等往往需要电压可调的直流电源，利用晶闸管的单向可控导电性能，可以很方便的实现各种可控整流电路。当整流负载容量较大时，或要求直流电压脉冲较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源提供。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式整流电路。三相半波可控电路只用三只晶闸管，接线简单，但晶闸管承受的正反向峰值电压较高，变压器二次绕组的导电角仅 120°，

36、变压器绕组利用率较低，并且电流是单向的，会导致变压器铁心直流磁化。而采用三相桥式整流电路，流过变压器绕组的电流是反向电流，避免了变压器铁芯的直流磁化，同时变压器绕组在一个周期的导电时间增加了一倍，利用率得到了提高。逆变是把直流电变为交流电，它是整流的逆过程，而有源逆变是把直流电经过直-交变换，逆变成与交流电源同频率的交流电反送到电网上去。逆变在工农业生产、交通、航空航天、办公自动化等领域已得到广泛的应用，最多的是交流电机的变频调速。另外在感应加热电源、航空电源等方面也不乏逆变电路的身影。三相桥式整流电路是利用晶闸管的单向可控导电性能，实现直流电变交流电，电路结构采用共阴极接法的三相半波（VT1

37、,VT3,VT5）和共阳极接法的三相半波（VT4,VT6,VT2）的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半有电流通过，提高了变压器的利用率。共阴极组的输出电压是输入电压的正半周，共阳极组的输出电压是输入电压的负半周，总的输出电压是正负两个输出电压的串联。有源逆变是将直流电变成和电网同频率的交流电并送回到交流电网中去。逆变的两个条件，一是要有直流电动势，其极性晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压，因此主电路图采用了一个用整流二极管 VD1VD6 组成三相不可控整

38、流电路来提供一个直流电动势，为了保证其值大于变流电路直流侧的平均电压，应该给变流电路直流侧加一个变压器来满足条件；二是晶闸管的角>90（即 0<<90°）,使 Ud 为负值。只有同时满足这两个条件，才能实现逆变。三相桥式整流及有源逆变主电路图如图 4-10 所示。25盐城工学院课程设计说（2015）图 4-10 三相桥式整流及有源逆变主电路电路工作原理（1）整流电路在上图所示的三相桥式整流电路中，设L>>Rd,在=0°时，其对应的各电压、电流波形如下图所示：根据晶闸管的导通条件可知，对共阴极组来说，哪相电位较其他两，就触发该相晶闸管使其导通；对

39、共阳极组来说，哪相的电位较其他两相低时，就触发该相晶闸管使其导通。为保证整流电流 id 有通路，必须保证在同一时刻里共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸通。即电流的通路为：变压器二次绕组共阴极组的某相负载共阳极的某相变压器二次绕组。整流输出电压为Ud=Ud1-Ud2其中，ud1 为共阴极组输出电压瞬时值；ud2 为共阳极组输出电压瞬时值。如果共阴极组和共阳极组角相同，则两组整流电压平均值相等，三相桥式整流电路的整流电压应为三相半控时的两倍。在一个周期内，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5 VT6。在这里只分析=0°时的工作 情况如上图所示，将一个周期相电压分为六个区间：在

40、t1t2 区间：U 相电压最高，VT1 被触发导通。V 相电压最低，VT6 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uu-Uv=Uuv。在t2t3 区间：U 相电压最高，VT1 被触发导通。W 相电压最低，VT2 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uu-Uw=Uuw。在t3t4 区间：V 相电压最高，VT3 被触发导通。W 相电压最低，VT2 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uv-Uw=Uvw。在t4t5 区间：V 相电压最高，VT3 被触发导通。U 相电压最低，VT4 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uv-Uu=Uvu。在t56t 区间：W 相电压最高，VT5 被触发导

41、通。U 相电压最低，VT426盐城工学院课程设计说（2015）被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uw-Uu=Uwu。在t6t7 区间：W 相电压最高，VT5 被触发导通。V 相电压最低，VT6 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uw-Uu=Uwu。（2）整流电路的工作特点任何时候共阴极和共阳极组各有一个元件同时导通才能形成电流通路。每个晶闸通角为 120°；共阴极组晶闸管 VT1,VT3,VT5，按依次触发导通，相位相差 120°，共阳极组晶闸管 VT2，VT4,VT6,相位相差 120°，也按依次触发导通，同一相得晶闸管相位差 180°.输

42、出电压由六段电压组成，每周期脉动六次。晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它至于晶闸管的导通情况有关，其波形由三段组成。一段为零，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。变压器二次绕组流过正、负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了利用率。对触发脉冲宽度的要求。整流桥正常工作时，需保证同时导通的 2 个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于 60°；另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时一个序号的晶闸管补发一个脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以采脉冲触发。>0°时，晶闸管不在自然换相

43、电换流，而是从自然换相点后移角度开始换流，工作过程与=0°基本相阻性负载60°时的 Ud 波形连续，>60°时 Ud 波形连续，=120°时，输出电压为零，因此三相围为 0° 120°。（3）逆变电路桥式整流电路电阻性负载相移范图 4-10 为三相桥式有源逆变电路的原理图。为满足逆变条件，左端桥式不可控整流电路为逆变提供了上正下负的电动势。（4）注意事项1.整流及逆变电路与三相电源连接时，一定要注意。2.整流电路的负载电阻不易过小，应使 Id 不不超过 0.8A，同时负载电阻不宜过大，保证 Id 超过 0.1A，避免晶闸管时断时

44、续。3.为防止逆变，逆变角必须安置在 30°90°范围内。4.示波器的使用必须注意，两根地线必须接在等电位点，防止造成短路。 八最小逆变角的确定为保证逆变能正常工作，使晶闸管的换相能在电压负半波换相区之内完成换相， 触发脉冲必须超前一定的角度，也就是说，逆变角必须要有严格的限制。1. 换相重叠角。由于整流变压器存在漏抗，使晶闸管在换相时存在换相重叠角。值随电路形式、工作电流大小不同而不同，一般选取 15°25°电角度。2. 晶闸管关断时间 Tg 所对应的电角度。晶闸管从导通到完全关断需要一定的27盐城工学院课程设计说（2015）时间，这个时间 Tg 一般

45、由管子的参数决定，通常为 200300s，折合到电角度 约为 4°5.4°。3.安全余量角。由于触发电路各元件的工作状态会发生变化，使触发脉冲的间隔出现不均匀既不对称现象，再加上电源电压的波动，波形畸变等因素，因此必须留有一定的安全余量角，一般为 10°左右。综合以上因素，最小逆变角+=30°35°。4.3.3 闭环闭环模块摸块如图 4-11 所示图 4-11 闭环模块闭环是论的一个基本概念 指作为被控的输出以一定方式返回到作为的输入端指输出端通过与对输出端再并对输入端施加影响的一种关系在论中 闭环通常旁链 方式回馈到输入 所谓闭环输出端回馈到

46、输入端并参这闭环的目的 这种目的是通过反馈来实现的闭环与计划是根据对象输出反馈来进行校正的方式 它是在测量出实际从输出量变化取出控时 按定额或标准来进行纠正的 闭环制信号作为比较量反馈给输入端输入量一般这个取出量和输入量相位相反比如家用空调温度的所以叫负反馈自动通常是闭环原理：当受控客体受干扰的影响 其实现状态与期望状态时主体中 由将根据这种偏差发出新的指令 以纠正偏差 抵消干扰的作用 在闭环于能力闭环主体能根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差 所以有较强的能进行有效的所用的从而保证预定目标的实现 管理中所实行的大多是原理主要是反馈原理 这种如果我们把输入值用x 表示输出值用y 表示 客体

47、的功能用s 表示差信息用x 表示系统也即反馈系统的作用用R 表示 偏28盐城工学院课程设计说（2015）则有 y=S(X+X)=S(X+Ry)=SX+SRy式中 CF 称反馈因子或参数 它反映闭环系统的反馈功能或功能闭环在各种实例中有具体的表现方式正反馈与负反馈是闭环常见的两种基本形式 其中负反馈与正反馈从达到目的的角度讲具有相同的意义 从反馈实现具体方式来看 正反馈与负反馈属于代数或者算术意义上的 加减 反馈方式即输出量回馈至输入端后 和输入量进行加减的统一性整合后 作为新输出去进一步输出量 实际上 输出量对输入量回馈远不止这些方式 这表现为运算上 不仅仅是加减运算 还包括了更广域的数算 回馈输出量对输入量回馈 也不一定采取和输入量进行综合运算形成统一的扩展：开环输出 输出量能通过链直接于输入量等等没有反馈环节 系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高 使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统 开环是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作 没有反向的过程,按这种方式组成的系统称为开环系统,其特点是系统的输出量对系统的作用发生影响没有自动修正或补偿的能力闭环有反馈环节 通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要