风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真毕业论文

PAGE风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerbyZhangPeinanSupervisor:AssociateProfessorSuHongyuHeilongjiangUniversityCambridgecollegeMay2012毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日－PAGEVII－教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目：风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真设计(论文)的基本内容：(1)了解风机发电机的工艺机理；(2)建立风力发电系统模型；(3)讨论风电系统最大功率调节方法；(4)以MATLAB为工具，对上述研究进行仿真。毕业设计(论文)专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计(论文)题目日期第2周指导教师签字：201风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真摘要能源、环境是当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题。常规能源如：煤、石油、天然气等，不仅资源有限，而且其应用时造成了严重的环境问题。而风能最为一种清洁可再生能源，发展迅速，已经成为世界新能源最主要的发展方向之一，因此，对风能的开发和利用已经受到了世界各国的高度重视。本文以直驱式永磁同步风力发电系统为例，对目前常用的几种风力发电系统最大功率跟踪控制方法进行了讨论和比较，并以其中的一种方法为例进行了仿真验证。本文在分析国内外风力发电的现状以及风电产业现状的基础上，首先介绍了风力发电系统的总体结构和各组成部分的结构及其运行原理，分析了风力发电机最大功率跟踪控制的基本原理和方法，比较了最佳叶尖速比控制、最佳功率曲线控制和爬山搜索法。基于他们的数学模型在MATLAB/SIMULINK中分别搭建了包括风力机气动模型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等，在此基础上建立了直驱式永磁风力发电系统的模型，并采用最佳叶尖速比控制法，对风力机在额定风速以下进行了仿真，通过仿真验证了该方法的控制效果。关键词：风力发电；最大功率点跟踪；风力机模拟；仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerAbstractTheenvironmentandenergyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhuman.Mainly,Conventionalenergylikecoal，oilandnaturalgasisnotonlyrestricted,butalsocausingseriousairpollution.Asacleanandrenewableenergy,thewindpowerhasgottenaquickdevelopmentandbecomeoneofthemostpromisingnewenergies.Therefore,theutilizationofwindpowerdevelopmentisregardedbymanycountriesintheworld.Bytakingdirect-drivepermanentmagnetsynchronouswindpowersystemasanexample,severalmaximumpowerpointtrackingcontrolmethodofthecurrentwindpowergenerationsystemisdiscussedandcomparedinthispaper,thenoneofthemethodsissimulatedandverified.Basedonthecurrentstatusandforegroundofwindpowerindustrialhomeandabroad,thepaperfirstlydescribesthestructureandcompositionofwindturbinesoperatingprinciple,andsecondlyanalysismaximumpowerofthewindturbinecontrolprinciplesandmethods,andthencomparestheoptimumtipspeedratiocontrol,thebestpowercurvecontrol,andmountainclimbingsearchmethod.ThenamodelofpermanentmagnetdirectdrivewindturbineisbuiltinMATLAB/SIMULINKbasedonthemathematicalmodel,includerotormodel,permanentmagnetgeneratormodelandthecontrolsystemmodel.Andthesimulationmodelsareusedtovalidatingthemethodoftheoptimumtipspeedratiocontrolbelowtheratedwindspeed.Keywords：WindPower;MPPT;SimulationofWindTurbine;Simulation东北大学本科毕业设计（论文） 目录东北大学本科毕业设计（论文） 目录目录TOC\o"1-3"\u毕业设计(论文)任务书 I摘要 IIAbstract III第一章绪论 11.1课题背景 11.1.1世界能源消费现状 11.1.2国外风能资源与开发现状 31.1.3国内风能资源的开发与现状 41.2风力发电技术现状及发展 51.2.1风力发电技术现状 51.2.2风力发电技术的发展 71.3主要研究内容 9第二章风力发电系统介绍 112.1风力发电系统的总体结构 112.1.1风力机 112.1.2发电机 122.2风力发电系统的理论基础 132.2.1风能的计算 132.2.2风能的贝兹理论 142.2.3叶尖速比 152.2.4风力机特性 162.3本章小结 18第三章风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析 193.1最大风能跟踪的理论基础 193.2最大风能跟踪的算法 193.2.1最佳叶尖速比法 203.2.2功率反馈法 203.2.3爬山搜索法 223.3本章小结 23第四章风力发电系统的建模与仿真 254.1MATLAB/SIMULINK简介 254.1.1MATLAB简介 254.1.2SIMULINK简介 264.2永磁直驱风力发电系统建模 264.2.1风力机的建模 274.2.2发电机的建模 274.2.3发电机转矩模型 294.2.4控制系统模型 294.2.5最佳转速计算模块 314.2.6系统模型 314.3系统仿真 324.4本章小结 33第五章结束语 35参考文献 37致谢 39东北大学本科毕业设计（论文） 第一章绪论-PAGE44-绪论课题背景能源是社会经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。随着化石能源的日趋枯竭及人类生存环境的逐渐恶化，新的无污染接替能源——可再生能源已引起了世界各国的高度重视。可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等自然能源，这些能源既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成威胁。可再生能源技术包括开发和利用可再生能源的各种技术。国内外可再生能源的一个重要应用领域就是发电。用来发电的可再生能源主要有风能、太阳能、生物质能、地热能等，所对应的发电技术有风力发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术和地热发电技术。但从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增长率达27%。世界能源消费现状当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。世界经济的快速发展使得能源需求快速增长，供需矛盾突出。1995年至2015年期间，全世界对一次能源需求量的增长，将比20世纪80年代缓慢。在21世纪的数十年内，这种趋势将一直保持下去，而能源的利用效率将提高，特别是在工业发达的国家。在一次能源的产量和消耗中，居第一位的仍然是石油，煤炭和天然气分别居第二位和第三位。其中，石油在消费结构中的比重从39.4%下降到35%，天然气的比重从23.7%增加到28%，煤炭的比重从31.7%下降到31.2%，核能的比重从2.3%下降到2.0%。尽管经济合作与发展组织国家对一次能源的绝对需求量将有很大的增加，但这些国家2015年前对能源需求的增长率却相当缓慢。这是因为这类国家的经济发展普遍比较缓慢，并实行了节约能源的政策，而发展中国家的能源消耗量则将增长很快。作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费目前已占世界能源消费总量的13.6%，使得世界越来越将能源话题聚集在中国和亚太地区。国家发展和改革委员会能源研究所指出，三大理由支撑我国大力发展可再生能源。第一，我国能源系统面临严峻挑战。人口多，人均资源占有量少；加上能源利用技术落后，效率低下，能耗高，能源匮乏的威胁可能来得更早、能源供需缺口将越来越大。第二，我国农村小康建设的需要。我国13亿人中农村人口占绝大多数，每年消耗的能量相当大，其中约一半来自可再生能源，但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。同时，我国还有700万户无电人口，无法用常规电网延伸解决用电。第三，保障能源供应安全的考虑。1993年我国成为石油净进口国，2003年进口依存度已经达到36%，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额将进一步增长，预计2020年我国石油对外依存度将达到50%。这对我国能源供应安全构成一定威胁。可再生能源属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，为各种移动设备提供能源，缓解能源供应问题[1,2]。表1.SEQ表_1.\*ARABIC1未来世界能源需求地区2010需求量比例%2020需求量比例%2025需求量比例%北美33.5629.4737.7129.2639.6229.03欧洲33.1629.4234.9927.1535.7626.20亚洲31.7727.9037.7329.2740.5529.71中东5.855.146.855.317.515.50非洲3.382.973.983.094.303.15南美洲6.145.397.635.928.766.42世界113.86100.00128.89100.00136.50100.00随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。太阳能和风能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。进入21世纪，全球可再生能源在不断发展，而在可再生能源中，风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。据理论计算全球大气中风能总的能量是1017kW，而且是可再生的，估计大约有3.5x1012kW的蕴藏风能可以被开发利用，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、带蜡和安装过程中需要消耗一定的化石能源，进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。国外风能资源与开发现状2005年世界风电产业蓬勃发展，装机容量达58982MW，亚洲风能发展最快，印度超赶丹麦。风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业，其从业人数己超过23.5万人。2005年12月31日，世界装机容量己达58982MW，比2004年多11310MW，2004年的装机容量比前年增长8.3GW，而2003年装机容量增长8.1GW。2005年全球风机装机增长率为24%，2004年增长率为21%。根据这种发展趋势，世界风能协会预计2010年世界装机容量将高达120000MW。目前风力发电占全球电量的1%，部分国家及地区己达20%甚至更多。欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。为了应对全球气候变化，欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源，实现温室气体减排。欧洲议会于2001年制定了可再生能源发展指导计划，到2010年可再生能源电力占欧洲电力总供应的12%。2005年欧洲在总装机容量(40932MW)及新增装机容量(6174MW)仍然保持世界领先地位。现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世界最先进的风电技术，和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。20世纪80年代初，丹麦开始发展现代风电，自1959年丹麦的风电产业迅速扩张，装机容量大幅提高。1996年丹麦政府制定《21世纪能源战略报告》，预计风电发展的目标是到2005年实现装机容量达到1500MW的规模，而事实上，2000年丹麦的风电装机已经达到2140MW，不仅提前完成了2005年的规划目标，而且已经成为世界风电产业的大国和强国。丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业，丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商，大型商业化风力机制造厂家有vestas、Bonus、NEGMicon等，丹麦企业制造的风机约占50%的世界市场份额。20世纪90年代是德国风电迅猛发展的10年，风电装机规模大幅度提高，技术不断创新，成本逐渐下降。截止2005年12月31同，德国装机容量达到18428MW，比2004年新增1798.8MW，增长10.8%。1998年以后是德国风电高速增长的黄金时期，1998-2002年的短短5年间，风电累计装机台数增长从6000台增长到14000台左右，增长1倍还多，累计装机容量从1998年的3110MW增加到2002年12440MW，翻了两番，增长速度惊人。目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位，其装机容量多年全球位列第一。在美洲，美国的风力发电规模较大。美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。80年代初期，风机占主流的是100KW以下的小机型，目前兆瓦级的风机己成为风力发电机组的主流。2005年，美国装机容量大幅度增加，其装机容量占当前世界风能容量的17%(10036MW)，其中98%的装机容量被安装在北美。美国在扩展生产税信贷范围后，已经成为国际上新装机容量领域的老大，其新增容量为2424MW。其总装机容量为9149MW，排西班牙之后，居世界第三。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，2005年增长率为48%，在7022MW总装机容量的基础上新增装机容量2263MW。亚洲风电产业的主要主导仍是印度。印度早在20多年前就已经认识到可再生能源对印度经济社会发展的重要性，并致力于发展风力发电，特别是这几年，印度风力发电进入了高速发展时期，2005年，印度的风电产业发展超过了丹麦并在总装机容量(4430MW)及新增装机容量(1430MW)方面均为世界第四。表1.SEQ表_1.\*ARABIC2截止2007年底累计风电装机容量前九名国家排名国家累计装机容量1德国2230万KW2美国1690万KW3西班牙1470万KW4印度780万KW5中国590万KW6丹麦310万KW7意大利270万KW8法国250万KW9英国240万KW国内风能资源的开发与现状我国具有丰富的风力资源。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，我国陆地风能资源总储量约32.26亿kW，其中可开发的风能储量为2.53亿kW，沿海水深2～15米近海区域的风力资源可开发的储量有7.5亿kW，总计为10亿kW，这是10m高度计算的，如果按50m高度计算，则还要增加一倍．据国家有关部门最新统计资料，我国的风能资源远高于原来估计的储量。中国现代风力发电技术的开发利用起源于20世纪70年代初，而大容量风力发电技术的应用起始于80年代，其商业化发展则是90年代初期。1994年，电力部发布了风力发电上网有关规定后，并网风力发电技术的发展越来越受到重视。风力发电产业从新疆、内蒙古和东南沿海部分地区起步，到1996年底，已初具规模，风力发电装机容量达到了60MW。近十几年来，在国家有关部门的大力支持下，我们风电产业获得了很大的发展，特别是2005年2月28同全国人大常委会表决通过了《可再生能源法》后，2006年1月1日起实施的《中华人民共和国可再生能源法》将制定我国可再生能源总量目标制度；可再生能源并网发电审批和全额收购制度；可再生能源上网电价与费用分摊制度；可再生能源专项资金和税收、信贷鼓励措施等，这必将大力促进包括风能在内的可再生能源的发展。截止2005年12月31日，我国除台湾省累计风电机组1846台，装机容量1260MW，共有风电场62个。与2004年累计装机容量764MW相比，增长了65.5%。2005年风电上网电量约为15.3亿KWh。我国能源发展规划，到20l0年和2020年风电的发展目标分别为500万kW和3000万kW。按此规划计算，从2006～2020年平均每年装机约190万kW，投资约152亿元人民币，其中购买风力发电机组的投资约95亿元人民币。而3000万kW占当时全国总电力装机的3%，风电电量只占1.5%。据有关单位的初步预测，2020年以后，风力发电将在能源供应和减排温室气体方面起显著作用，届时风电成本将“十分接近”常规电源。2020年以后发展风电的主要目的是尽快培育出本国的风电设备制造产业，以满足风电市场快速增长的需求[3,4]。风力发电技术现状及发展现代风力发电技术涉及空气动力学、机械传动、电机学、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。风力发电系统是由风力发电机组、控制装置、监测显示装置等组成。风力发电技术现状在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有：(1)定桨距风力发电技术定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负载)的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题：20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距(失速型)风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术。(2)变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0。附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨．对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速度变化仍然是无能为力的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来蜕，具有明显的优越性。(3)变速恒频发电技术变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。目前具有变速恒频发电技术的机组主要有：双馈型风力发电机组，无刷双馈发电机组，高速同步发电机组，低速永磁直驱发电机组。本文主要讨论永磁直驱风力发电机组[5]。风力发电技术的发展(1)单机容量增大在过去20年中，风力机的典型装机容量从50kw增加到1000kw以上。随着技术逐渐成熟，多样化的设计概念也逐渐走向统一。由于风力场中所采用的大的风机比小的更加经济，因而风机的容量不断增加。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力发电机单机容量不断向火型化发展。兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流产品。美国己经研制成功7MW风力机，而英国IF在研制10MW的巨型风力机。目前，变速变桨型双馈式3MW风电机组己经商业化运行。而且，随着风机容量的增大，其中必然要采用一些新的复合材料和新的技术。大型机器更适合滨海风力场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽，滨海风力场在未来的风能开发中将占有越来越重要的份额。(2)风机桨叶的变化单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2MW风机叶轮扫风直径己经达72m。目前最长的叶片己经做到50m以上。现有的大部分风机都具有3叶片，只有极少数风机还只有2个叶片的类型，而且这种风机的数量还在进一步减少之中。风机技术现已是足够成熟，机器的可靠性极高，可利用率通常在98％～99％之间。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组的特性，而风电机组的风轮直径与额定容量并不是一一对应的。(3)塔架高度上升在中、大型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平坦地带的风机，在50m高度捕捉的风能要比30m高处多20%。(4)控制技术的发展尤其值得注意的是，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。由于它被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大大地提高了捕捉风能的效率。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风电机要比恒速风电机多捕获15％的风能。同时，由于机舱质量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风机的支撑结构减轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。(5)海上风力发电发展海上风电场也成为新的大型风机应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在计划较大的海上风电场项目。由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用小时数为2000h，好的为2600h，在海上则可达3000h以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为3～8m处，同容量装机，海上比陆上成本增加60％(海上基础占23％、线路占20％；陆上仅各占5％左右)，电量增加50％以上。主要研究内容第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前景。简单介绍风力发电技术的现状及其发展。第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力发电系统的一些重要特性参数及其特性，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析比较了采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法。并提出在实验室条件下应用叶尖速比控制进行仿真分析。第四章中为验证风力机的最大功率跟踪控制方法，在MATLAB／SIMULINK中搭建了包括风轮气动系统模型、发电机模型和控制系统模型在内的1.5MW永磁直驱风力发电机的模型，通过仿真验证了控制效果。第五章总结文章所做的工作，并提出了不足。东北大学本科毕业设计（论文） 第二章系统的设计与实现东北大学硕士学位论文 第二章系统的设计与实现东北大学硕士学位论文 第二章系统的设计与实现

风力发电系统介绍风力发电系统的总体结构风力发电机组的整体结构示意图如图2.1所示。主要的部件包括风力机、永磁同步发电机、测量与控制系统、功率变换器等。风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件，风以一定的速度和功角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而直接驱动永磁同步发电机发电机。发电机发出的电能经过电力电子变换器输送到电网。本文只介绍风力机和发电机。图2.SEQ图_2.\*ARABIC1风力发电系统示意图风力机风力机是风电机组的最主要部件之一，是由桨叶与轮轴组成，桨叶具有良好的空气动力学外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。所以它不仅决定了整个风力发电系统有效功率的输出，还直接影响机组的安全稳定运行。在理论上，最好的风轮也只能将约60%的风能转换成机械能。在目前风力机主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机。本文主要研究的是采用定桨距，变转速发电机的变速风力发电系统。在目前风力机按照风轮旋转轴在空间的方向，可分为水平轴风力机(水平轴)和垂直轴风力机(立轴)两大类，其中水平轴风力机设计制造技术相对成熟，是目前风电市场中最常用的机型(约占现有的97％)。但是立轴风力发电机极大地克服了平轴机结构上固有的缺陷。故而形成开发新型高效风力机的主要技术趋势。水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时风轮的旋转平面与风向垂直。垂直轴风力发电机组的特征是旋转轴与地面垂直，风轮旋转平面与风向平行。和水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组的传动机构和控制机构装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。水平轴风力发电机组叶片的尖速比高，一般在5~7左右，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机叶片的尖速比要小得多，低转速基本上不产生气动噪音，垂直轴风力发电机可以应用在以前因为噪音问题不能应用水平轴风力发电机的场台(如城市公共设施、民宅等)。此外，风力机又有定桨距和变桨距风轮之分。其中定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮彀的连接是固定的，即当风速变化时，将叶的迎风角度不能随之变化。本文主要讨论定桨距风力机。发电机在风力发电系统中，发电机及其控制系统承担了风力发电系统的能量转换任务。它不仅直接影响这个重要转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。风力发电机组中的发电机分为直流发电机和交流发电机。其中交流发电机主要分为同步发电机、异步发电机(或称为感应发电机)和永磁式发电机3种机型。独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给，主要目的是通过控制励磁、转速和功率变换器来产生恒压的直流电和恒压恒频的交流电。永磁同步发电机具有许多优点：由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。采用稀土永磁体后可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高：处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。永磁同步发电机没有励磁损耗和电刷滑环间的摩擦、接触损耗。与凸极式交流同步发电机相比，同等功率的稀土永磁发电机的总损耗大约要小10％～15％。美国通用电器公司研制的一台150kVA、切向磁化结构的永磁发电机，在1200rpm状态满载运行时，效率仍可保持在89.2％。稀土永磁发电机不仅效率高，而且其高效率段比较宽，在负载变化范围较大时，仍能有较高的效率。这是因为常规的绕线式同步发电机当负载增大时，阻抗压降和电枢反应的影响大，端电压下降厉害，为保持发电机端电压恒定，只能增加励磁电流来提高气息磁密，这样就使得铁损耗和励磁损耗明显增大，而稀土永磁发电机由于稀土永磁体高内禀矫顽力的特点，使得电枢反应的影响很小，负载变化时，气隙磁密变化很小，铁耗可以当作不变参数来看[6]。此外永磁同步发电机适用于小型直驱式风力机，不需要外加变速装置；稳定性好，易于操作与维修成本低；无电刷式转子，坚固耐用等。本文所研究的风力发电系统采用的就是永磁同步风力发电机。风力发电系统的理论基础风能的计算由流体力学可知，气流的动能为：(2.1)式中：气流动能:气流质量：气流速度设单位时间内流过截面积为的气体的体积为，如果以表示空气密度，则该体积的空气质量为(2.2)这时气流所具有的动能为(2.3)式中：风能：空气密度：截面积：气流速度由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。风能的贝兹理论贝兹理论是在假定风轮是“理想”的基础上建立的，这种“理想”的风轮全部接收风能，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的[7]。设风轮前方的风速为，为实际通过风轮的风速，为叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前的风速面积为，叶片扫掠后的风速面积为，风吹到叶片上所作的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必须>，<，。如图2.2所示：图2.SEQ图_2.\*ARABIC2贝兹理论计算简图于是，风作用在叶片上的力由欧拉定理求得(2.4)式中：作用力：空气密度故风轮吸收功率为(2.5)此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为(2.6)令，可以得到(2.7)因此，风作用在风轮叶片上的力和风轮输出功率分别为(2.8)(2.9)风速是给定的，的大小取决于，是的函数，对微分求最大值，得(2.10)令，解方程得，将其带入的表达式，得到最大功率为(2.11)将上式除以气流通过扫掠面时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率(或称理论风能利用系数)为(2.12)这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。应此，风力机实际风能利用系数<0.593，目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0.4~0.5之间。风轮实际能得到的有用功率输出为(2.13)叶尖速比除了风能利用系数外，风力发电机还有两个非常重要的参数：叶尖速比和桨距角。叶尖速比是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。(2.14)其中：风轮的转速：风轮的半径：风速桨距角是指风轮叶片上某一点的弦线与叶片旋转平面间的夹角。定桨距风力发电机的桨距角在安装时固定，不能变化。而变桨距风力机的桨距角可以随着风速变化而变化，以限制功率的增加[8]。风力机特性风力机把风能转化为机械能是个复杂的空气动力学过程，要精确地对风力机进行建模，必须用基于空气动力学中桨叶的基本理论。但是，如果用桨叶的基本理论建模，将不可避免要解决风力机风轮几何学问题、复杂冗长的计算问题等困难，此外，还要同时处理一系列的风速信号，而不是只有一个风速信号[10,11]。为了避免这些问题，人们设计了一种简易的模型来描述风力机，它反映了风速与从风中获得的能量的关系，气动方程为：(2.15)(2.16)其中：通过风轮扫掠面积的风的功率，单位为：空气密度，单位为：风轮半径，单位为：实际风速，单位为：风力机的实际功率系数风力机的功率系数反映了风力机吸收利用风能的效率，它随风速、风力机转速以及风力机叶片参数如功角、桨距角等而变化[9]。风力机可分为变桨距和定桨距两种。变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的曲线来表示，如图2.3所示。图2.SEQ图_2.\*ARABIC3为0。、5。、10。、15。时的曲线风能利用系数是叶尖速比的函数(表示为)，同时也是桨叶节距角的函数(表示为)，综合起来可表示为。从图中可以看到，当桨叶节距角逐渐增大时，曲线将显著缩小。如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数只与叶尖速比有关系，则可用一条曲线描述特性，这就是定桨距风力机的性能曲线(=0。)，如图2.4所示。变桨距风力机是定桨距风力机的改进和发展，而定桨距风力机特性是变桨距风力机特性的基本情况，具有代表意义，是讨论最大风能追踪的依据，因此定桨距风力机及其特性是本文研究的重点。本文采用桨叶节距角为0。。图2.SEQ图_2.\*ARABIC4=0。时曲线由图中可以看出，相同尖速比时桨距角为0。时的最大风能利用系数最大，约为0.4382，对应的最佳叶尖速比约为6.333。本章小结本章首先宏观介绍了风力发电系统的构成，然后具体介绍了本文将用到的风力机和直驱式永磁发电机。介绍了风力发电领域中的几个基础概念和理论，包括叶尖速比，风能计算和风能的贝兹理论，并且重点了解了风力机特性，为后面建立风力发电系统模型和仿真打下基础。东北大学本科毕业设计（论文） 第四章结束语东北大学本科毕业设计（论文） 第四章结束语东北大学本科毕业设计（论文） 第四章结束语风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析最大风能跟踪的理论基础风能是一种具有随机性、爆发性、能量密度低、不稳定特性的能源。风速的变化会引起风力机转速的变化，如果没有必要的机械或者电气控制，则由风力机驱动的交流发电机的转速也将随之改变。因而发电机的输出电压及频率都将不恒定。在风力发电中，当风力发电机与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即频率保持恒定。恒速恒频，即为在风力发电过程中保持风力机转速(也就是发电机的转速)不变，从而得到频率恒定的电能。而在保持恒频的同时需要最大限度的吸收风能进而转换为电能，则需要控制风力机实现最大风能跟踪。风力机的最大功率跟踪是指在额定风速以下，通过调节风轮转速，使其随着风速的变化而变化，从而使风力机保持在最佳叶尖速比状态，将风能利用系数保持在最大值，获得最大功率输出的方法。对于任意一台风力机来说，叶片的设计使得风能利用系数和尖速比、桨距角呈一定关系，在某一特定桨距角下，都存在唯一的一条和的对应曲线，这条曲线常被称为曲线。风力机的曲线一般由叶片生产厂家提供，由于设计的不同，不同叶片的曲线是有区别的，但其大概形式是相同的。一条典型的曲线如图2.3所示：由曲线可以看到，一个值对应唯一的一个值。而且存在一个最佳的叶尖速比，使得在此叶尖速比下的风能利用系数为最大，此时的和分别称为最佳叶尖速比和最大风能利用系数。风力机转速控制的目标就是使得风机在不同风速时都运行在最佳叶尖速比状态下，使风机获得最大风能利用系数，从而最大限度的捕获风能。由尖速比计算公式式(2.14)知，最佳叶尖速比的值已知时，对于每一个特定风速都可以得到一个最佳的转速值[12]。最大风能跟踪的算法最大风能跟踪(MPPT)是风力发电的核心问题，但风能的跟踪的特性是由风力机决定的。因此无论是那种风力机，其风能跟踪的思想是相通的。目前常用的最大风能跟踪控制主要有最佳叶尖速比控制法、功率反馈法和爬山搜索法。最佳叶尖速比法最佳叶尖速比法的基本思想是当风速变化时，通过测量风速和风力机固有特性计算出此时的最佳转速，并适时调整发电机转速始终运行于该最佳转速，从而实现最大风能跟踪。用风速计直接测出风速信号，由最佳叶尖速比和式(2.14)求得对应的最佳转速，将它与测得的风力机转速信号进行比较，组成闭环控制系统，由转速误差信号调节发电机的电功率输出，进而达到调节转速的目的，使风力机转速正比于风速而变化，即始终运行在最佳叶尖速比的情况下。图3.SEQ图_3.\*ARABIC1最佳叶尖速比控制法原理图该方法需要测量风速、转速，还需要知道风力机固有的叶尖速比曲线，由于风速的实时准确测量较为困难，因此该方法在实际应用中存在一些问题。但由于该方法是最大风能跟踪的最直接实现思想，在风速测量精确的前提下，具有很好的准确性和反应速度。因此该方法仍然获得了一定应用，本文即采用该方法进行控制。功率反馈法功率反馈法的基本思想当风速变化时，首先测量得到转速，根据风力机固有的最佳功率曲线计算此时的发电机输出参考功率，对发电机进行功率调节保证风力发电机运行在最佳功率曲线上实现最大风能跟踪。由式(2.13)知风力机获得的功率：风力机的机械功率测量需要转矩测量装置，实现起来比较困难，所以可以通过测量发电机输出电功率代替机械功率用于控制过程计算。传动系统和发电机上会产生一定的功率损耗所以最后得到的电功率还要乘以一个效率，由于功率损耗和输出功率相比较很小，本文暂时不考虑功率损耗，假定电功率等于风力机输出功率[13]。即：(3.1)由式(3.1)和式(2.14)计算得到：(3.2)额定风速以下为获得最大功率输出，设置桨距角，在不同的风速下通过控制风轮的转速，使得风力机运行在最佳叶尖速比条件下，从而使得风力机获得最大的风能利用系数。=0时由式(2.14)、式(2.16)和式(3.1)可以求得(3.3)其中(3.4)由式(3.3)和式(3.4)可以得到不同风速下的电功率和转速关系曲线。将由第二章得到的最佳风能利用系数=0.4382和最佳叶尖速比=6.333代入式(3.2)，并且，取风力机半径R=35m，空气密度=1.225此时式(3.2)对应的电功率和转速的曲线就是最佳电功率曲线。将上述两组曲线绘在同一幅图中：图3.SEQ图_3.\*ARABIC2不同风速下的转速-功率曲线和最佳功率曲线由上图可以看出，最佳功率曲线是在每一个风速下输出最大功率点的连线，对应的转速即为每一特定风速下为获得最大风能而对应的最佳转速。这样，系统实时测量转速和功率，在不同转速下，将对应的最佳功率和风力机的输出功率进行比较，以比较得到的误差信号来调节发电机的输出功率，使风力机沿着最佳转速—功率曲线运行，即可使风机运行在最佳转速，最大限度的捕获风能。图3.SEQ图_3.\*ARABIC3最佳功率曲线控制原理图该方法无需测量风速，但需测量转速，还需知道风力机固有的最佳功率曲线。相比叶尖速比控制，该方法省去了风速测量，具有较好的效果和更好的实用价值，但对于不同的风力机，最大功率曲线需要事先通过仿真或试验测得，这会增加功率反馈控制难度和实际应用的成本。爬山搜索法爬山搜索算法是为了克服前两种算法的缺点而提出来的，它无需测量风速，也不需要事先知道具体风轮机的功率特性，而是施加人为的转速扰动，然后通过测量功率的变化来自动搜索发电机的最优转速点。其追踪最大风能的原理如图3.4所示：计算当前风力机的功率，并和上个控制周期的风力机功率比较，如果功率下降，那么将转速指令的扰动值反号，否则，保持其符号不变。最后将当前的转速扰动值和上个周期的转速指令相加就得到新的转速指令值。也就是说，当风车的功率一直增加时，保持转速指令增加(或减小)的方向不变，当风车的功率减小时，原来转速指令在增加的就要变成减小，原来转速指令减小的就要变成增加，即将转速指令的扰动反号。在风力发电系统中，这种最大功率跟踪具有以下的缺点。(1)固定的速度步长导致了旋转速度波动，风速快速变化时跟踪较慢；(2)逆变器死区时间引起转矩电流脉动，这会影响最大功率跟踪算法中的功率比较；(3)固定转速扰动产生的阶梯状变化的风力机转速指令值使得风力机的转速很不平稳；(4)扰动步长过大时，不可避免地出现在最大功率点附近振荡的现象，导致跟踪的最大功率点与实际值相差很大，降低了风能转换效率；扰动步长过小时，降低跟踪的快速性[14]。图3.SEQ图_3.\*ARABIC4传统爬山算法控制流程图爬山搜索算法虽然克服了最佳叶尖速比法和功率反馈法对风机特性参数的强依赖性的缺陷，但是它要求转速对风速变化具有瞬时响应特性，对于大型风力机的大惯性大时滞的特点，频繁的转速扰动并不能得到及时的响应，爬山搜索算法的实际控制效果并不理想。而我们在实验条件下对风力发电系统其他部分进行研究时，风速可以是给定的，因此本文将采用最佳叶尖速比法。本章小结了解了最大风能跟踪的理论基础，介绍了变速恒频风力发电系统三种常用的风能跟踪算法，即最佳叶尖速比法，功率反馈法和爬山搜索法，并将三种方法进行了对比，并提出了将叶尖速比法作为本文建立系统的控制方法。

风力发电系统的建模与仿真MATLAB/SIMULINK简介本章所用到的仿真软件是MATLAB软件。MATLAB是一个集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算平台。MATLAB软件除了具有强大的科学计算功能、出色的图形图像处理、友好的编程环境之外，还提供了几十多个涉及众多工程应用领域的工具箱。下面仅将本章所用到的仿真软件和仿真工具箱做一简单介绍。MATLAB简介MATLAB名字是由MathWorks公司开发的一个有重大影响的软件产品。它是一种面向科学和工程计算的高级计算机语言，现已成为国际科技界公认的优秀的应用软件，在世界范围内广为流行和使用。该软件的特点是：强大的计算功能、计算结果和编程可视化及极高的编程效率，这是其他软件无与伦比之处。MATLAB包含的几十个工具箱，涉及自动控制、人工智能、电力系统、系统辨识、模式识别、动态仿真、信号分析、图像处理、数值计算和分析等学科，广泛应用于通信、工业控制、电子、电力、机械、汽车、建筑、财经、生命科学等诸多工程技术领域。MATLAB软件具有以下优势与特点：(1)提供了便利的开发环境。随着MATLAB的商业化与软件的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近于windows的标准界面，人机交互更强，操作也更简单。(2)简单易用的程序语言。MATLAB语言的语法特征类似于C语言，具备了比较完备的程序调试功能有利于非计算机专业的技术人员使用。(3)强大的科学计算和数据处理能力。MATLAB提供了数以千计的，涉及众多工程技术领域的函数指令。通常只须调用一个函数指令就可以完成许多工程应用中的复杂计算。如今，MATLAB的计算功能优势已不局限于矩阵运算，它还体现在数值计算、工程优化、动态仿真等诸多方面。(4)出色的图形处理功能。MATLAB所具备的图形图像处理功能主要体现在：二维曲线处理、三维曲线处理、图形的光照处理、色度处理、四维数据表现，图形动画等。(5)应用广泛的模块集和工具箱。MATLAB对许多专业领域都开发了功能强大的模块集或工具箱。一般说来，用户可以直接利用工具箱完成计算、仿真、应用等工作，而不需要编写复杂的程序代码。MATLAB工具箱所涉及的工程应用领域有：样条拟合、优化算法、神经网络、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统分析、电力系统仿真、模糊逻辑等。(6)实用的程序接口和发布平台。新版本的MATLAB提供了较好的代码编译器，可以把M文件编译成C／C++程序代码，以便于代码的移植。另外，MATLAB还提供了与VC++、VB、Excel等软件的接口，使得这些软件之间的互访成为可能。(7)模块化的设计和系统级的仿真。SIMULINK是MATLAB的一个分支产品，主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真。在SIMULINK所提供的仿真环境下，可以完成对信号处理、通信设计、电力系统仿真、系统控制仿真等功能[15,16]。SIMULINK简介SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以是多采样率的，比如系统的部分拥有不同的采样率。对于建模，SIMULINK提供了一个图形化的用户界面(GUI)，可以用鼠标点击和拖拉模块的图形建模。通过图形界面，可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。SIMULINK包括一个复杂的由接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接件的模块库，当然也可以定制或者创建用户自己的模块。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以是多采样率的，比如系统的部分拥有不同的采样率。对于建模，SIMULINK提供了一个图形化的用户界面(GUI)，可以用鼠标点击和拖拉模块的图形建模。通过图形界面，可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。SIMULINK包括一个复杂的由接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接件的模块库，当然也可以定制或者创建用户自己的模块。作为一种图形化的仿真工具包，SIMULINK能够惊醒动态系统建模、仿真和综合分析，可以处理线性和非线性系统，离散、连续和混合系统，以及单任务和多任务系统，并在同一系统中支持不同的变化率。由于SIMULINK环境使用户摆脱了深奥的数学推理的压力，也摆脱了烦琐的编程困扰，只需使用者具备相关的专业知识即可。因此，用户在此环境下对工程应用领域的仿真、分析与计算变得较为简单。特别是对一些研发工作而言，起到了缩短研发周期，提高设计的可靠性的作用[17,18]。永磁直驱风力发电系统建模风力机的建模直驱式风力机由于省去了齿轮箱，其运动方程为[19]：(4.1)式中：风力机的转动惯量：风力机的转速：风力机的气动转矩：传动装置传给发电的扭矩由式(2.13)和式(2.16)得风力机的气动转矩为：(4.2)在SIMULINK中建立风力机的风速-转矩模型，如图4.1所示：图4.SEQ图_4.\*ARABIC1风力机的风速转矩模型发电机的建模永磁风力发电机的模型一般在坐标系下建立，坐标系是包括永磁同步电机在内的所有交流电机最常用的坐标系。电机转矩的产生，是由于定子磁链与转子磁链相互吸引作用而产生的。电机转矩的大小、方向与定子磁链与转子磁链的幅值、相位有关。为了便于分析，将坐标系定位于转子磁链之上，此时在轴方向为磁链方向，轴方向超前轴90。电角度，这样就形成了一个同步旋转的正交坐标系。电机所有交流变量都可以在这个坐标系中转化为直流量并投影于、两个轴上，对两个轴上的分量分别控制，就控制了这个变量。内转子永磁同步电机的转子磁场由永磁体产生，是不可控制量，因此只需控制定子磁场，就可以控制电机电磁转矩。定子磁场中可变的部分是定子电流产生的电流励磁磁场，在坐标系内对定子电流的解耦控制，就实现了电机电磁转矩的控制，这也是矢量控制的实现方法。本文在同步旋转坐标系下建立的永磁同步发电机组数学模型为：(4.3)式中：和分别为发电机的轴和轴电流；和分别为发电机的轴和轴电感；为定子电阻；为电角频率，；为发电机转子的极对数；为永磁体的磁链；和分别为的轴和轴分量。定义轴的反电势，轴的反电势已，假设发电机轴和轴电感相等，即，所以，式(4.3)可写为：(4.4)由此在MATLAB/SIMULINK中建立发电机模型为如图4.2所示：图4.SEQ图_4.\*ARABIC2永磁发电机模型发电机转矩模型发电机的转动方程为：(4.5)其中为发电机的转动惯量，为发电机反力矩，为发电机转速。由于采用永磁直驱风力发电机，没有使用增速齿轮箱，所以风轮转速和发电机转速相等，即有：(4.6)直驱式永磁同步发电机的电磁转矩表达式为：(4.7)简化为：(4.8)由此可得永磁同步发电机的传动系统，电磁转矩模型如图4.3所示：图4.3发电机转矩模型控制系统模型永磁发电机由永磁体励磁，不需要提供励磁电流，定子电流只产生转矩，因此可以采用同步旋转坐标系下的矢量控制法产生相应的电压矢量和，从而控制发电机转速。为确定矢量方向，因轴分量与无功功率相关，采用零轴电流控制方法，设置轴电流参考值为，从而在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩。因轴分量与转矩相关，可以通过控制轴的速度控制轴电流参考值。由式(4.4)可知，、轴之间存在着耦合项和，即不仅依赖于，而且也与有关系，这会给控制带来很大问题。通过加入前馈补偿的方法可以消除耦合项。因此定义两个新的输入量分别为(4.9)通过加入前馈补偿，消除了、轴之间的耦合项[20,21]。控制系统采用的是转速外环、电流内环的双闭环结构，其中外环速度参考值由最大功率点跟踪算法得出，与实际测得的转速相比较，通过PI控制器得到轴电流参考值，轴电流参考值设置为0。由永磁发电机的转矩公式可以看出，发电机的电磁转矩与有功电流成正比，可以通过调节有功电流来控制发电机转矩，从而改变发电机的转速，跟随设定的最优转速。控制系统模型如图4.4所示：图4.4控制系