pscad課程設(shè)計(jì)任務(wù)書李

1、鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）目錄1.摘要32.PSCAD簡(jiǎn)介43. pscad 樣例說明63.1 fixed-load樣例功能與工作原理分析63.2 模塊工作原理分析63.2.1 信號(hào)源模塊63.2.2 電源模塊73.2.3 負(fù)載模塊73.3fixed-load模型的建立過程83.3.1 電源模塊的創(chuàng)建83.3.2 信號(hào)源模塊的建立113.3.3 負(fù)載模塊的建立113.3.4 輸出模塊的建立133.4fixed-load 樣例結(jié)果分析144永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的建立154.1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理分析154.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的建立264.2.1 風(fēng)速模型264.2.2 風(fēng)力機(jī)模型324

2、.2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)模型344.2.4 整流器模型354.2.5 超級(jí)電容模型364.2.6 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程模塊374.2.7 斬波器模型384.2.8 最大風(fēng)能追蹤模塊394.2.9 最大功率追蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊394.2.10 系統(tǒng)4.3 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型40結(jié)果分析404.3.1 風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速的測(cè)定404.3.2 恒風(fēng)速條件下,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與功率輸出的實(shí)驗(yàn)444.3.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)力捕獲測(cè)定454.3.4 改變占空比條件下,系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲研究475過程中遇到的及解決的. 516. 心得體會(huì)517. 參考文獻(xiàn)512鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）1.摘要隨著環(huán)境污染的加劇和能源的

3、加深,風(fēng)能開發(fā)等新能源利用技術(shù)成為世界研究的熱點(diǎn)課題"永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于機(jī)械損耗小!運(yùn)行效率高!維護(hù)成本優(yōu)點(diǎn)而成為研究的重點(diǎn)機(jī)型,掌握其運(yùn)行特性和提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲效率是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的重要研究課題"最大功率跟蹤(MPPT)策略是提高風(fēng)電系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換效率的重要"本文系統(tǒng)研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理,對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究,重點(diǎn)研究基于爬山搜索法的最大風(fēng)能追蹤策略,并提出了相應(yīng)的控制目標(biāo)和實(shí)現(xiàn),以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行"首先了課題的研究背景和意義,綜述了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況;為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)!降低成本及提高可靠性,本文提出了包含永

4、磁同步發(fā)電機(jī)!二極管整流橋及斬波器的改進(jìn)型的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu);在分析系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上,建立系統(tǒng)部件的數(shù)學(xué)模型及完整的系統(tǒng)模型"針對(duì)現(xiàn)有的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),基于 PSCAD/EMTDC搭建了相應(yīng)的平臺(tái),開發(fā)了改進(jìn)型的小型風(fēng)電系統(tǒng)模型"本文研究的目標(biāo),本文提出了變斜率 MPPT策略,并進(jìn)行了相關(guān) MPPT的研究,結(jié)果了最大功率跟蹤策略的正確性和可行性;與傳統(tǒng)固定步長(zhǎng) MPPT!變步長(zhǎng)擾動(dòng)策略相比,本文的有效提高了最大功率跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性,進(jìn)而提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率"本文的工作為今后完善小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究提供了理論依據(jù),對(duì)提高小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體效率及可靠

5、性具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值":永磁風(fēng)力發(fā)電;最大風(fēng)能追蹤;PSCAD;3鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）2.PSCAD簡(jiǎn)介電是非常復(fù)雜的。其數(shù)學(xué)表的定義比航天飛行器及行星運(yùn)動(dòng)軌跡的定義更要錯(cuò)綜復(fù)雜和具有性。比起計(jì)算機(jī).家電和工業(yè)生產(chǎn)過程在內(nèi)的一些大型復(fù)雜，電是世界上最大的。EMTDC 是具有復(fù)雜電力電子、器及非線性建模能力的電網(wǎng)的模擬分析程序。對(duì)于一個(gè)好的技術(shù)來說它是一個(gè)很好的工具。當(dāng)在 PSCAD 的圖形用戶界面下運(yùn)行時(shí)，PSCAD/EMTDC 結(jié)的強(qiáng)大功能，使復(fù)雜的部分電可視化。從 20 世紀(jì) 70 年代中期起，EMTDC 就成了一種暫態(tài)模擬工具。它的原始靈感來源于.博士

6、1969 年 4 月于電學(xué)報(bào)上的 IEEE。來自世界各地的用戶需求促成它現(xiàn)在的發(fā)展。20 世紀(jì) 70 年代暫態(tài)發(fā)生了巨大的變化。早期版本的 EMTDC 在水電站的 IBM 打孔計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。每天只有一兩個(gè)可以被提交并運(yùn)行，與今天取得的成就相比等編碼和程序開發(fā)相當(dāng)緩慢。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，功能強(qiáng)大的文件處理系統(tǒng)可被用在文本編輯等。今天，功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)已可以更深入細(xì)致的進(jìn)行，這是二十年前所不能想到的。用戶要求 EMTDC的效率和簡(jiǎn)便。所以高壓直流輸電開發(fā)了PSCAD 圖形用戶界面以方便 EMTDC最初創(chuàng)立并使用在 unix 工作站。的研究。PSCAD/EMTDC 在 20 世紀(jì) 90 年代，作

7、為電和電力電子器的模擬器，它取得了極大的。PSCAD 也成為了 RTDS-時(shí)實(shí)數(shù)字或混合數(shù)字的圖形用戶界面。Dennis Woodford 博士于 1976 年在初版，是一種世 界各國廣泛使用的電水電局開發(fā)完成了 EMTDC 的， PSCAD 是其用戶界面，PSCAD 的開發(fā)，使得用戶能更方 便地使用 EMTDC 進(jìn)行電分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且可以作為實(shí)時(shí) 數(shù)字器的前置端。可模4鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）擬任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIX OS, Windows95, 98, NT；Fortran 編輯器；瀏覽器和 TCP/IP 協(xié)議。功能：·可以發(fā)

8、現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時(shí)出現(xiàn)的過電壓· 可對(duì)包含復(fù)雜非線性（如直流輸電）的大型電進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便· 進(jìn)行電時(shí)域或頻域計(jì)算· 電諧波分析及電力電子領(lǐng)域的計(jì)算· 實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、器的設(shè)計(jì)。FACTS最初 EMTDC 代表直流暫態(tài)。最初的 EMTDC 代碼由在 1975 年電力局.開始編寫。編寫這個(gè)程序的是因?yàn)楫?dāng)時(shí)現(xiàn)存的研究工具不能夠?qū)痈邏褐绷鞴こ踢M(jìn)行強(qiáng)和靈活的研究的要求。自此之后程序被不斷開發(fā)，至今已被廣泛地應(yīng)用在電許多類型的模擬研究，其中交流研究，雷電過電壓和電力電子學(xué)研究。EMTDC 開始時(shí)在大型計(jì)算機(jī)上使

9、用。然后在 1986 年被移植到 Unix 系統(tǒng)和以后的 PC 機(jī)上。PSCAD 代表電計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并且是 EMTDC 的圖形用戶接口。PSCAD V11988 年首先在阿工作站上使用，然后大約在 1995 年 PSCAD V2 開始應(yīng)用。(至今 PSCAD V2 仍然廣泛地應(yīng)用于 Unix 系統(tǒng)上。)PSCAD V3 以 PC Windows 作為平臺(tái)，在 1999 年面世。PSCAD V3 的 Unix 版本尚未完成。PSCAD/EMTDC 在時(shí)間域描述和求解完整的電及其的微分方程(電磁和機(jī)電兩個(gè)系統(tǒng))。這一類的模擬工具不同于潮流和暫態(tài)視定的模擬工具。后者是用穩(wěn)態(tài)解去描述電路(即電磁過

10、程)。但是在解電機(jī)的機(jī)械動(dòng)態(tài)(即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)微分方程。PSCAD/EMTDC 的結(jié)果是作為時(shí)間的即時(shí)值被求解。但通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器和測(cè)量功能(有效值表計(jì)，或者快速育里葉變換頻譜分析等)。這些結(jié)果能被轉(zhuǎn)換為矢量的幅值和相角。5鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）3.pscad 樣例說明3.1fixed-load 樣例功能與工作原理分析這個(gè)例子說明了使用各種配置 fixed_load 組件。系統(tǒng)的頻率和電壓額定值的變化在一個(gè)正弦的方式一次 95%和 105%之間。你可以看到如何測(cè)量 P 和 Q 的變化與電壓和頻率在不同配置的變化。在這個(gè)例子中通過給定一個(gè)電壓和一個(gè)頻率信號(hào)，在通過不同的各種配置之后得到各種通

11、道的測(cè)量結(jié)果并使之在表格中的到印證。本案例中結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔，運(yùn)用的器件比較的少，通過提供信號(hào)經(jīng)過不同的設(shè)定電阻電抗值得到不同情的負(fù)載值，通過測(cè)量這些負(fù)載的 P 和 Q 的值匯聚到表格中形成比較鮮明的變化規(guī)律，更加容易看出其變化規(guī)律，以下分析其工作原理。3.2 模塊工作原理分析3.2.1 信號(hào)源模塊圖中給定頻率和電壓，通過設(shè)定值確定固定的頻率和電壓值，其中包含函數(shù)的設(shè)定與一些標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定，使之能夠得到確定的頻率值和電壓值。6鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）3.2.2 電源模塊由給定的電壓值和頻率值加載到電源中，為后面的整個(gè)電路提供電源，以固定的電壓和頻率提供到之后電路。在圖中的電壓通過光纖和頻率加載

12、到電源中。3.2.3 負(fù)載模塊圖中建立第一個(gè)負(fù)載模型即為恒阻和恒電感的感應(yīng)負(fù)載建模。圖中建立第二個(gè)負(fù)載模型，通過改變負(fù)載的設(shè)置數(shù)值，改變運(yùn)算中的 Q 和 P 的值來建立第二個(gè)恒阻和恒電抗的感性負(fù)載模型。這是第三個(gè)負(fù)載模型，跟第二個(gè)負(fù)載相同，改變其中的 Q 和 P 的比例得到第三個(gè)負(fù)載模型即恒定的電流負(fù)載的感性負(fù)載模型。第四建立的為恒功率的感性負(fù)載模型。7鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）第五建立一個(gè)恒定電阻和恒定電抗的容性負(fù)載模型。第六個(gè)建立的為一個(gè)恒定的電阻和一個(gè)恒定的電抗的容性負(fù)載模型。第七個(gè)建立的是恒電流的電容負(fù)載模型。最后建立的為恒功率的容性負(fù)載模型。最后由這八個(gè)模型的輸出得到相應(yīng)的圖形進(jìn)

13、行分析得到結(jié)果。3.3fixed-load模型的建立過程3.3.1 電源模塊的創(chuàng)建首先確定選擇電源模型由給的電路模型在 PSCAD 工具中找到相應(yīng)合適的電源由于與給定的模型有一定的差別，需要改變其屬性在 SourseImpedance Type 選項(xiàng)中選擇 Ideal(R=0)下圖中顯示得到模型中所需的電源模型。8鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）之后轉(zhuǎn)換位置，根據(jù)所提供的樣板畫出所需要的函數(shù)首先找到 CSMF 模塊打開之后在其中選擇所需的模塊，在其中也可看到下面信號(hào)源模塊里面所需的，在這一起選擇得到一下的三個(gè)模塊，因?yàn)橛械男枰淖兤渲械膮?shù)，所以在選擇模塊的時(shí)候要仔細(xì)的辨別。9鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)

14、（2014）將得到的模塊擺正接到剛剛的電源里面接下來創(chuàng)建函數(shù)，需打開MISCELLANEOUS 模塊，在其中選擇所需的模塊橫排第二個(gè)就是所需要的模塊，選擇粘貼到畫板上雙擊點(diǎn)開改變參數(shù)記得到所需的。之后在面板上找到 Data Label 模塊選擇粘貼到畫板上，改屬性名稱，創(chuàng)建 freq 和 vltg 模塊，。將所有的一起得到樣例中的電源模塊，。10鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）3.3.2 信號(hào)源模塊的建立首先將樣例中的所有模塊分析，兩個(gè)模塊相似，所以只需要有第一個(gè)里面找到所有的原件即可。打開 master 菜單在 MISCELLANEOUS 模塊里選擇所需要的模塊，粘貼到畫板上再將剛剛找到的三個(gè)

15、模塊接到電路里面需要改變參數(shù)的需要改變參數(shù)，最后跟前面一樣連上信號(hào) freq，在 freq 信號(hào)后面加上輸出通道即完成第一個(gè)信號(hào)模塊第二個(gè)跟第一個(gè)相似，即可完成整個(gè)信號(hào)模塊的建立。3.3.3 負(fù)載模塊的建立因?yàn)樨?fù)載模塊比較多，但是相同只需要改變其中的參數(shù)值即可打開下圖所示模塊11鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）選擇所需要的粘貼到畫板上再打開得到下圖所示12鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）接下來畫出信號(hào)和通道，分別署名下面的工作比較類似只需要改變參數(shù)即可得到各種不同的負(fù)載模塊。3.3.4 輸出模塊的建立最后要顯示各種數(shù)據(jù)的，最直觀的是由圖就需要畫出輸出模塊所需要的圖表。點(diǎn)擊 Graph Frame

16、模塊粘貼到畫板上，建立和 freq 等信號(hào)的，點(diǎn)擊所需的輸出通道以 freq 為例添加圖形框。右鍵單擊輸出通道選擇 Input/Output Reference | Add new Analog Graph with signal.出現(xiàn)彈出菜單，此時(shí)將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的圖形框模擬的圖形曲線，如下圖示：右鍵單擊圖形框的標(biāo)題欄，在彈出菜單上選擇 Graph Frame Properties，將會(huì)出現(xiàn)圖形框?qū)傩缘目?，在名字一欄命名?Currents and Voltages。添加另一個(gè)圖形和曲線模擬。右鍵單擊圖形框的標(biāo)題欄選擇 Add Overlay Graph（Analog）?，F(xiàn)有圖下方將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)

17、新的圖形框。此圖中添加曲線用來監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。右鍵單擊輸出通道中的“負(fù)載電流”，出現(xiàn)彈出菜單。選擇 Input/OutputReference | Add as Curve.。13鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）自定義圖形標(biāo)題和垂直軸，右鍵點(diǎn)擊圖形頂端部分選擇 GraphProperties按照你認(rèn)為合適的編輯圖形屬性。例如，在電壓圖上改變 Y 軸為KA。你也可以關(guān)閉網(wǎng)格線并調(diào)整尺度。其他的與之相似添加。所有的都完成之后的到完整的電路圖如下圖所示3.4fixed-load 樣例結(jié)果分析點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕得到圖形14鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）根據(jù)所得的圖分析結(jié)果所得系統(tǒng)的頻率和電壓額定值的變化在一個(gè)正

18、弦的方式一次 95%和 105%之間。與所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。4 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的建立4.1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理分析直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組取消了易疲勞、噪聲多的齒輪箱，因此又被成為無齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)多極永磁同步發(fā)電機(jī)，并通過全功率變流器將功率送入電網(wǎng)，風(fēng)能利用效率得到了提高。直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組軸系損耗小，可靠性高，且噪聲污染小，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，這些優(yōu)勢(shì)受到了越來越多的重視。同時(shí)，永磁材料的價(jià)格在近年來逐漸下降，使得直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的成本下降，其在風(fēng)電市場(chǎng)上所占比重也越來越大，未來的發(fā)展前景良好。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示：15鹽城

19、工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）風(fēng)力機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器機(jī)側(cè)變流器變壓器濾波電感傳輸線電抗軸系電網(wǎng)VtVgV直流電容VTisvsVTig變流器變流器網(wǎng)側(cè)vg機(jī)側(cè)最大功率跟蹤槳距角ref圖 4-1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖其中，機(jī)組主要風(fēng)力機(jī)、軸系、永磁同步發(fā)和變流器，還最大風(fēng)力跟蹤、槳距角、變流器機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)等模型。當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉尖速比實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳距角降低風(fēng)能利用系數(shù)。通過電機(jī)側(cè)變流器永磁同步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過電網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的功率解耦。風(fēng)能是風(fēng)力機(jī)能量的提供者，在風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)文獻(xiàn)，常用平均分量、斜坡

20、分量、陣風(fēng)分量和渦流分量這四個(gè)分量來描述風(fēng)速模型，本文中根據(jù)具體情況利用斜坡風(fēng)或固定值來模擬風(fēng)速，故對(duì)風(fēng)速模型不展開分析。風(fēng)力機(jī)完成從風(fēng)能到機(jī)械功率的轉(zhuǎn)化，根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理，可得出風(fēng)速和從提取的機(jī)械功率之間的，一般由以下代數(shù)方程給出：P = 1 rp R 2C (l, b )V3mpw2其中，Pm 是獲取的機(jī)械功率， 是空氣密度，R 是風(fēng)力機(jī)葉片半徑，Vw 是風(fēng)速。 是葉尖速比， 是槳距角，Cp 是風(fēng)能利用系數(shù)，是一個(gè)關(guān)于葉尖速比和槳距角的函數(shù)。風(fēng)能利用系數(shù) Cp 的值越大，說明風(fēng)力機(jī)從取得能量的能力越大，其轉(zhuǎn)換效率越高。葉尖速比是葉片尖部的速度和風(fēng)速之間的比值，其表l = wmR：

21、Vw其中，m 是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。16DCACACDC-+鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）風(fēng)能利用系數(shù)一般可由以下方程模擬錯(cuò)誤!未找到源。：C ( , ) = c ( c2 - c - c c5 - c )exp( - c7 )p1346ii其中，1 =i1c) - (9)( + c 3 + 18此方程來源于 Heier（1998）的文章。為了更好地符合各類風(fēng)機(jī)的特性，參數(shù)c1c9 的值可略有修改。表 4-1 給出了三組典型值錯(cuò)誤!未找到表 4-1 風(fēng)能利用系數(shù)的三組典型參數(shù)值源。c1c2c3c4c5c6c7c8c90.10.20.0.1005221641080350.16.1-20000442594

22、6.50.0020.10.0.2.11-3735158002143.28.40.020.003其中，第一組參數(shù)值由 Heier 給出，研究風(fēng)電的文章中普遍使用該組參數(shù)，本文也采用該組參數(shù)。第二組和第三組參數(shù)值分別為恒速風(fēng)力機(jī)和變速風(fēng)力機(jī)的參數(shù)值。當(dāng)采用第一組參數(shù)時(shí)，可得到風(fēng)能利用系數(shù) Cp 的曲線圖如圖 4-2 所示。圖 4-2 風(fēng)能利用系數(shù) Cp 特性曲線圖17鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）分析圖 4-2 可知，當(dāng)槳距角 一定時(shí)，個(gè)最大的風(fēng)能利用系數(shù) Cp，使得風(fēng)力機(jī)能從一個(gè)最優(yōu)的葉尖速比 opt,其對(duì)應(yīng)一獲得最大功率。而在風(fēng)速過高的情，可調(diào)節(jié)槳距角 進(jìn)而調(diào)節(jié) Cp，使風(fēng)電機(jī)組保持輸出功率為

23、額定值。由式 2-1 可推出風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：= 1 R3V 2 Cp ( , )PmT =mw2m其中，Tm 是輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。軸系的任務(wù)是將風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)。軸系模型有單質(zhì)塊模型到六質(zhì)塊模型，文獻(xiàn)5對(duì)此進(jìn)行了比較研究，結(jié)果顯示，對(duì)機(jī)電磁暫態(tài)模型來說，一般可采質(zhì)塊模型。雙質(zhì)塊模型將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量考慮，分別將風(fēng)力機(jī)與輪轂視作一個(gè)質(zhì)量塊，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子視作一個(gè)質(zhì)量塊。其示意圖如圖0-3 所示。風(fēng)力機(jī)Ds發(fā)電機(jī)wGTmTeKswGJGwm圖 0-3 軸系雙質(zhì)塊模型示意圖軸系模型的數(shù)學(xué)模型可由以下公式表示:d 2ddd= T - K ( - ) - D (w -G ) -

24、 DJ wdt2 wdtwmswGswdtdtd 2ddd G = K( - ) + D (w -G ) - D G - TJGswGsGedt2dtdtdt其中，Jw、JG 是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；w、G 是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于主軸的扭矩角；Ks 是軸系的剛度系數(shù)；Ds 是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的阻尼系數(shù)；Dw、DG 則為風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)自身的阻尼系數(shù)；Te 是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。永磁同步發(fā)電機(jī)相較于同步電機(jī)，除了用永磁體替代了勵(lì)磁繞組外，其他基本上與同步電機(jī)相同，因而，只要用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的等效磁導(dǎo)率計(jì)算出電機(jī)的各種電感，分析同步電機(jī)的便可用于分析永磁同步發(fā)電機(jī)。18鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（20

25、14）在建立永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，做如下假設(shè)2：(1) 忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)部渦流和磁滯損耗；(2) 相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形為正弦波；(3) 定子繞組中產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)為正弦分布，不考慮諧波與飽和；(4)轉(zhuǎn)子上不阻尼繞組；(5)永磁材料的電導(dǎo)率為零。本文按電慣例選取繞組電壓、電流的正方向。采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量技術(shù)，推導(dǎo)出 d、q 軸坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是研究永磁同步電機(jī)的常用。其電壓方程為：did dtU = R i + L- ds dde qdiqU = R i + L+ qs qqe ddt其中，定子磁鏈方程為：d = f + Ld id q = Lqiq將定子磁鏈方程代入到發(fā)

26、電機(jī)電壓方得以磁鏈和電感為變量的電壓模型：didU = R i + L- L i ds dde q qdtdiqU = R i + L+ + L i qs qqe fe d ddt其中，Ud、Uq 分別是發(fā)電機(jī)定子輸出電壓的 d 軸、q 軸分量；id、iq 分別是發(fā)電機(jī)定子輸出電流的 d 軸、q 軸分量；Ld、Lq 分別是發(fā)電機(jī)定子 d、q 軸的電感；f 是發(fā)電機(jī)永磁體磁鏈；e 是發(fā)電機(jī)的電角速度；Rs 是發(fā)電機(jī)的定子電阻。永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:Te = pn éë f iq + (Ld - Lq )idiq ùû其中，pn 表示電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

27、對(duì)于面裝式永磁體結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，Ld=Lq，此時(shí)：Te = pnf iq永磁同步發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率可表示為：19鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）P = Uqiq +Udid Q = Uqid - Udiq直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)完成風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，并將其傳送到發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，通過交直交全功率變流器轉(zhuǎn)換成頻率恒定的三相交流電輸送到電網(wǎng)中。風(fēng)電機(jī)組的變流器電路采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：不可控整流器晶閘管逆變器、不可控整流器PWM 電壓源型逆變器、不可控整流器DC/DC 升壓PWM 電壓源型逆變器、背靠背雙 PWM 變流器等。這幾種變臉器電路拓?fù)涠加懈髯缘奶攸c(diǎn)。其中，雙 PWM 變

28、流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其策略靈活多樣、輸出特性良好等優(yōu)點(diǎn)，在直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛。因其采用了兩個(gè)相同的 PWM 變流器，該種拓?fù)溆址Q為“背靠背”變流器。本文采用背靠背雙 PWM 型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。背靠背變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，發(fā)電機(jī)側(cè)三相橋式 PWM 變流器通過濾波電容與電網(wǎng)側(cè)三相橋式 PWM 變流器相連接。其結(jié)構(gòu)圖如圖 4-4 所示。機(jī)側(cè)變流器網(wǎng)側(cè)變流器永磁同步發(fā)電機(jī)直流環(huán)節(jié)電網(wǎng)圖 4-4 背靠背雙 PWM 變流器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于電機(jī)側(cè)變流器，其回路的四象限變流器，如果略去高次諧波分量，那么電機(jī)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型可用永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程表示。對(duì)于電網(wǎng)側(cè)變流器，在建立數(shù)學(xué)模型前建立以下假設(shè)2

29、：(1) 忽略開關(guān)損耗；(2) 電網(wǎng)電壓呈對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)正弦波分布；(3) 網(wǎng)側(cè)三相濾波電感為線性，不考慮飽和。電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量技術(shù)，即將電網(wǎng)電壓矢量定向在 d 軸上， 此時(shí)，電網(wǎng)電壓在 q 軸上的分量為零。以電網(wǎng)電壓空間矢量方向?yàn)?d 軸方向，20鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）與之垂直方向超前 90 度為 q 軸方向。數(shù)學(xué)模型采用的參考方向按照 PWM 變流器慣例，由此可得到電網(wǎng)側(cè)變流器在 d、q 軸系下的數(shù)學(xué)模型如下：digd dt digq dtn= u- R i- L+ L i cdgdg gdds g gqn= u- R i- L- L i cqgqg gqgs g gdC

30、 dudc= S i+ S i- id gdq gqgdt其中，vcd、vcq 分別是網(wǎng)側(cè)變流器 AC 側(cè)端口電壓的 d、q 軸分量，Sd、Sq 分別是三個(gè)開關(guān)函數(shù) Sa、Sb、Sc 變換到 d、q 軸坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的開關(guān)函數(shù)，滿足 ucd=Sd udc 與 ucq=Sq udc；ugd、ugq 分別是電網(wǎng)電壓的 d、q 軸分量；igd、igq 分別是網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流在 d、q 軸上的分量；Rg 是網(wǎng)側(cè)變流器濾波器的等效電阻；Lg 是網(wǎng)側(cè)變流器濾波器的等效電感；s 是電網(wǎng)頻率；ig 是機(jī)側(cè)變流器直流電流；udc 是直流電容電流； C 為直流電容。電網(wǎng)側(cè)變流器注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率在 dq

31、 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別為：= ugdigd + ugqigq= ugdigq - ugqigdPgQg采用電網(wǎng)電壓矢量定向，即 ugq=0，可得：= ugdigd= ugdigqPgQg在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，其系統(tǒng)主要由變流器機(jī)側(cè)、變流器網(wǎng)側(cè)、槳距角、最大功率跟蹤等模塊組成。由機(jī)可能遇到的情況較多，且自身變流器容量有限和風(fēng)力機(jī)機(jī)械強(qiáng)度有限等硬性限制，因此需要根據(jù)具體情況調(diào)整策略。切入風(fēng)速指的是風(fēng)力機(jī)對(duì)額定負(fù)載開始有功率輸出時(shí)的最小風(fēng)速，一般來說為3m/s 到 4m/s；切出風(fēng)速指的是風(fēng)力機(jī)停止對(duì)額定負(fù)載功率輸出時(shí)的風(fēng)速，一般來說為 25m/s。根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過主要分為啟

32、動(dòng)階段、最大功率跟蹤階段、恒轉(zhuǎn)速階段和恒功率階段這四個(gè)階段。風(fēng)力機(jī)功率與風(fēng)速的曲線如圖 4-5 所示。21鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-5 風(fēng)力機(jī)功率與風(fēng)速的曲線（1）第一階段是啟動(dòng)階段。一般來說，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組便可啟動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速比切入風(fēng)速小的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)在風(fēng)力的作用下做機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)不工作。（2）第二階段是最大功率跟蹤階段（a-b）。隨著風(fēng)速的提高，轉(zhuǎn)速也提高，在此階段處于啟動(dòng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得葉尖速比最佳，進(jìn)而使風(fēng)能利用系數(shù) Cp 最大，最大限量地將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。（3）第三階段是恒轉(zhuǎn)速階段（b-c）。在此階段，風(fēng)速

33、還未到達(dá)額定風(fēng)速，由于受到風(fēng)電機(jī)組最大轉(zhuǎn)速的限制，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值后維持不變，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。而風(fēng)速繼續(xù)提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率隨之繼續(xù)增大。（4）第四階段是恒功率階段。在此階段，風(fēng)速超過了額定風(fēng)速，但由于發(fā)電機(jī)和變流器都有功率極限，因此需要輸出功率維持在額定值。風(fēng)能利用系數(shù) Cp 受槳距角影響較大，因此在此階段可調(diào)節(jié)槳距角，降低 Cp，從而實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，一般通過發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的，其目標(biāo)為在不同的風(fēng)速下，使得風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能最大化，這種稱為最大功率跟蹤(um Power Tracking,MPT)。，葉尖速比 不同，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利由圖 4

34、-2 可知，在槳距角 一定的情用系數(shù) Cp 也不同，一個(gè)葉尖速比，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)為最大，該葉尖速比稱為最優(yōu)葉尖速比。最大功率跟蹤的目標(biāo)就是使風(fēng)力機(jī)在最優(yōu)葉尖速比的狀態(tài)下運(yùn)行，使得風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大。跟據(jù)指令的不同，最大功率跟蹤可分為最優(yōu)葉尖速比率信號(hào)反饋法、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法等。這三種的指令分別為轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩，但是22鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）究其實(shí)質(zhì)，都是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來使葉尖速比達(dá)到最優(yōu)。本文采用最優(yōu)葉尖速比法，其模型的示意圖如圖 4-6 所示。 ref iqref 圖 4-6 最大功率跟蹤本文最大功率跟蹤的模型示意圖思路為，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，在最大的風(fēng)能利用系數(shù)狀態(tài)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電

35、機(jī)組輸出的功率對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速，即在該轉(zhuǎn)速下，輸出功率才為最大。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的實(shí)際功率，將最優(yōu)葉尖速比與最大風(fēng)能利用系數(shù)指定，得到在該功率下的最佳轉(zhuǎn)速。然后，與實(shí)際轉(zhuǎn)速作差，差值輸入到 PI器中，得到了永磁同步發(fā)電機(jī) q 軸電流的參考值，用這個(gè)參考值進(jìn)行電流得風(fēng)電機(jī)組的輸出功率為最優(yōu)功率輸出。，使當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，由于發(fā)電機(jī)和變流器的功率限制，需要降低風(fēng)能利用系數(shù)使得直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)保持在恒定輸出功率狀態(tài)下運(yùn)行。由圖 4-2 可知，當(dāng)葉尖速比為定值時(shí)，槳距角的增大會(huì)使風(fēng)能利用系數(shù)有較大的降低。因此，調(diào)節(jié)槳葉角度改變槳葉相對(duì)風(fēng)速的攻角，能夠有效調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率。本文的槳距角

36、策略為，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)將槳距角在最優(yōu)槳距角保持不變，一般取 =0。此時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過最大功率跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，啟動(dòng)槳距角模型。槳距角方式，按照其輸入信號(hào)的不同，主要可分為兩種：一種是以發(fā)電機(jī)輸出功率作為 PI器的輸入；而另一種是以轉(zhuǎn)速作為器的輸入信號(hào)。后一種是直接對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行，因而可以避免超出額定轉(zhuǎn)速的情況出現(xiàn)。本文將這兩種結(jié)合起來，使得變槳系統(tǒng)既受功率環(huán)，又受轉(zhuǎn)速環(huán)，盡可能保證其不誤動(dòng)，并提高可靠性。本文槳距角的示意圖如圖 4-7 所示。23Pe最大功率跟蹤鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-7 槳距角模型示意圖將轉(zhuǎn)速的測(cè)量值輸入，與轉(zhuǎn)速參考值作

37、差，差值輸入到 PI器中；同時(shí)將功率的測(cè)量值與額定功率值作差，差值輸入到 PI器中；將兩個(gè) PI器的輸出作和，得到槳距角的參考值 ref，然后與實(shí)際槳距角作比較，差值輸入到槳距角伺服機(jī)構(gòu)中。圖 4-7 中，T 為伺服機(jī)構(gòu)的時(shí)間常數(shù)；(d/dt)min、(d/dt)max 為槳距角調(diào)節(jié)的梯度限值；min、max 為槳距角調(diào)節(jié)的限值。對(duì)于背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的變流器機(jī)側(cè)，其矢量主要有零 d 軸電流、最大轉(zhuǎn)矩/電流比、功率因數(shù)等，比較各種方法，參考電流的大小不同是其主要區(qū)別。在各種中，零 d 軸電流被較多文獻(xiàn)采用。本文亦采用該種。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的目標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)：（1）將交流電整流成直流

38、電。（2）配合最大功率跟蹤模塊，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。（3）調(diào)節(jié)與永磁同步發(fā)電機(jī)之間的無功交換。當(dāng)采用零 d 軸電流時(shí)，發(fā)電機(jī)直軸定子電流 id 維持在 0，電流等于 q 軸電流分量。對(duì)于面裝式永磁體結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)矩方表示為式 2-11，即發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與永磁體磁鏈和 q 軸電流有關(guān)，可以由q 軸電流直接電磁轉(zhuǎn)矩。將 id=0 代入式 2-12 可得，P = Uqiq = wey f iqQ = -U i = w L i2d qe q q發(fā)電機(jī)側(cè)變流器模型的示意圖如圖 4-8 所示。24鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-8 發(fā)電機(jī)側(cè)變流器模型示意圖本文中，

39、發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤階段是，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率可得到發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速，當(dāng)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速階段時(shí)，轉(zhuǎn)速的限定值為參考轉(zhuǎn)速。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速作差，差值輸入到 PI器中，可得到 q 軸電流的參考值；而 d 軸電流由于采用 id=0，因此直接令其等于 0.在電流內(nèi)環(huán)中，將 d、q 軸的參考電流值與實(shí)際的電流值作差，差值輸入到 PI器中，生成的信號(hào)再與補(bǔ)償項(xiàng)相加減，可得到變流器端口 d、q 軸電壓參考值。將電壓信號(hào)經(jīng)逆變換輸入到 PWM器中，產(chǎn)生變流器開關(guān)信號(hào)，從而變流器功率器件，通過其導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)功率的傳輸。對(duì)于電網(wǎng)側(cè)變流器，

40、一般采用電網(wǎng)電壓定向的矢量，從而使變流器與電網(wǎng)之間傳送的有功功率和無功功率得到解耦。變流器網(wǎng)側(cè)的目標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)：（1）將直流電逆變成網(wǎng)頻率、網(wǎng)電壓幅值的交流電；（2）維持直流側(cè)電網(wǎng)電壓恒定，使變流器能夠正常工作；（3）將變流器與電網(wǎng)交換的無功功率為需求值。本文變流器網(wǎng)側(cè)中，將電網(wǎng)電壓矢量定向在 d、q 參考坐標(biāo)系的 d 軸上，此時(shí)，q 軸電壓為 0，電網(wǎng)電壓可表示為：u = ugd + jugq = ugd + j0此時(shí)，由表可得，有功功率 Pg 和無功功率 Qg 可，其中，直軸電流 igd 可以有功功率 Pg，交軸電流 igq 可以有功功率 Qg。25鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）變流器

41、網(wǎng)側(cè)模型的示意圖如圖 4-9 所示。ugd igdref PI PI udc udcref sLgigqugqrefcq PI sLgigdigq圖 4-9 電網(wǎng)側(cè)變流器模型示意圖本文中，電網(wǎng)側(cè)變流器同樣采環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)為直流電容電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。設(shè)定一個(gè)直流電容電壓參考值，將實(shí)際的直流電容電壓與其作差，將差值輸入到 PI制，本文采用 igqref=0器中，可得到 d 軸電流的參考值；而 q 軸電流可實(shí)現(xiàn)無功控，使得輸出的無功功率為零；在電流內(nèi)環(huán)中，將d、q 軸的參考電流值與實(shí)際的電流值作差，差值輸入到 PI器中，生成的信號(hào)再與補(bǔ)償項(xiàng)相加減，可得到變流器端口 d、q 軸電壓參考值。計(jì)算電

42、網(wǎng)電壓矢量可得角度和頻率信息，從而可將電壓信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后輸入到 PWM變流器功率器件，通過其導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)控器中，產(chǎn)生變流器開關(guān)信號(hào)，從而制目標(biāo)。4.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的建立根據(jù)現(xiàn)有的小型永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),搭建其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)"基于實(shí)際系統(tǒng)分析,對(duì)系統(tǒng)做如下幾點(diǎn)假設(shè):1.風(fēng)速模型能夠體現(xiàn)實(shí)際風(fēng)速變化特性 2.風(fēng)力機(jī)同步發(fā)電機(jī)和二極管整流橋等部件能夠完整實(shí)現(xiàn)連接,具有良好的連接特性3.采用升壓斬波器實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗變換;4.超級(jí)電容器特性用理想電壓源加內(nèi)阻進(jìn)行等效逆變器及負(fù)載用純負(fù)載電阻替代各部分模型及參數(shù)如下4.2.1 風(fēng)速模型結(jié)合上文的理論分析,本文建立了風(fēng)速模型(圖 4

43、一 10),并在實(shí)際過程中26 igqigdcd鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)置"該模型可以為風(fēng)力機(jī)提供包含基本風(fēng)速陣性風(fēng)漸變風(fēng)和隨機(jī)噪聲風(fēng)等成分的風(fēng)速,設(shè)置參數(shù)風(fēng)速大小等"同時(shí)模型還可以根據(jù)需要在ES 輸入端加入自定義風(fēng)速,下文各種成分風(fēng)速進(jìn)行了實(shí)際的研究工作"圖 4 一 10 風(fēng)速模型及輸出框示意圖4.2.1.1 基本風(fēng)速27鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4 一 11 基本風(fēng)速參數(shù)設(shè)置圖圖 4 一 12 基本風(fēng)速 6 耐 s 的輸出結(jié)果4.2.1.2 陣性風(fēng)28鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-13 陣性風(fēng)速參數(shù)設(shè)置圖圖 4-1

44、4 最大陣性風(fēng)速 6 耐 s 的輸出結(jié)果圖29鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）4.2.1.3 漸變風(fēng)圖 4 一 15 漸變風(fēng)速參數(shù)設(shè)置圖圖 4-16 最大漸變風(fēng)速 6m/s 的輸出結(jié)果圖4.2.1.6 隨機(jī)噪性風(fēng)30鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-17 隨機(jī)噪性風(fēng)速參數(shù)設(shè)置圖圖 4-18 隨機(jī)噪性風(fēng)速的輸出結(jié)果圖31鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）4.2.2 風(fēng)力機(jī)模型圖 4 一 19 風(fēng)力機(jī)模型根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性和參數(shù),建立如圖 4 一 19 所示的風(fēng)力機(jī)模型"模型主要包含風(fēng)力機(jī)額定功率,額定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子半徑,風(fēng)力機(jī)掃過面積!發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的速度比等參數(shù),在Beta 端可以進(jìn)行槳距角&

45、quot;風(fēng)力機(jī)模型輸入!輸出端:Vw 為風(fēng)速輸入,W 為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速輸入,Tm 為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,P 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率,其中 Tm 和 P 的輸出標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)(標(biāo):電分析和工程計(jì)算中常用的數(shù)值標(biāo)記,表示各物理量實(shí)際連接結(jié)構(gòu)和及參數(shù)的相對(duì)值,為 p.u.)"下面將風(fēng)力機(jī)與風(fēng)速模型結(jié)合,并設(shè)置(圖 4 一 20),研究系統(tǒng)風(fēng)速變化情,風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率變化情況圖 4-20 風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)模型圖風(fēng)力機(jī)所用參數(shù)設(shè)置如圖 4-21:額定功率 Ikw,額定轉(zhuǎn)速 42rad/s,轉(zhuǎn)子半徑1.5m,掃風(fēng)面積 7.07m2,空氣密度 1.225kg/m3,齒輪箱傳動(dòng)效率 0.979pu,發(fā)電機(jī)與

46、風(fēng)力32鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）機(jī)的速度比設(shè)置風(fēng)速基本4m/s,漸變風(fēng)輸入最大值為 6m/s,在 0.5s 后開始進(jìn)行漸變風(fēng)輸入,在 2.05 最終風(fēng)速為 10m/s,風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化和功率輸出如圖 4-22 所示。圖 4-21 風(fēng)速及風(fēng)力機(jī)參數(shù)設(shè)置圖圖 4-22 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩及功率輸出變化圖33鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）4.2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)模型圖 4 一 23 永磁同步發(fā)電機(jī)模型在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,永磁同步發(fā)電機(jī)起著將風(fēng)力機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要作用"上文詳細(xì)了永磁同步發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系(A 一 B 一 C)系下的交流電機(jī)方程!轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d 一 q)系下的

47、電機(jī)方程,在綜合理論分析的基礎(chǔ)上調(diào)用PSCAD 所包含永磁同步電23 所示"在永磁同步發(fā)電機(jī)模塊,構(gòu)建了永磁同步發(fā)電機(jī)模型,模型圖如圖 4 一模型中,W 為永磁同步機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速,Te 為輸出電磁轉(zhuǎn)矩,內(nèi)部設(shè)置參數(shù)主要額定容量!額定頻率!額定線電壓和電機(jī)內(nèi)部參數(shù)等,另外還可以對(duì)輸出轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行設(shè)置"圖 4 一 24 為已知永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置。34鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4 一 24 永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖4.2.4 整流器模型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用永磁同步發(fā)電機(jī)時(shí),通過整流器將輸出電流的交流形式變換為直流形式"整流器的主要是整流管"在橋式

48、整流電路中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓與輸出電流隨風(fēng)速波動(dòng)很大,整流管的參數(shù)應(yīng)根據(jù)其在電路中可能承受的最大正!反向峰值電壓和流過的最大工作電流來選擇。35鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4 一 25 整流器模型本文整流器部分為無控整流部分,小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用無控整流的方式可以有效成本而滿足系統(tǒng)應(yīng)用;而在大型的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常采用的是可控整流方式。4.2.5 超級(jí)電容模型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用超級(jí)電容器作為系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置,能夠很好的滿足系統(tǒng)儲(chǔ)能方面的要求,在能量和輸出方面表現(xiàn)出了良好的性能"本文研究的重點(diǎn)在力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤,所以在超級(jí)電容器中用理想直流電源進(jìn)行代替"實(shí)際中

49、超級(jí)電容器的端電壓在充放電的過程中會(huì)有所變化,也因素暫且忽略。一定內(nèi)阻,在中這些36鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-26 超級(jí)電容模型4.2.6 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程模塊圖 4-27 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程模塊示意圖圖 4-27 為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的連接部分,主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：37鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）通過"改變實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩 Te 跟隨機(jī)械轉(zhuǎn)矩 Tm 的變化。4.2.7 斬波器模型圖 4-28 斬波器模型本文設(shè)計(jì)的 DC/DC 變換器斬波器主要完成改變負(fù)載大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗匹配的功能。為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的目的,本文在原有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上加入圖 4-28 所示斬波器模型,該模

50、型選用 PSCAD 中的電感，電容和功率器件等，模塊,建立了升壓變換器的模型。38鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）4.2.8 最大風(fēng)能追蹤模塊圖 4-29 斬波器模型斬波器的 PWM(脈寬調(diào)制)脈沖形成部分由一比較器產(chǎn)生,該比較器一端接三角載波輸入,另一端接調(diào)制波輸入，調(diào)制波由最大功率追蹤算法義模塊中實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生,算法在自定圖 4-29 為斬波器的 PWM 脈沖與形成部分,也是最大風(fēng)能捕獲的算法實(shí)部分,具體功率采樣單元和 PWM 信號(hào)發(fā)生單元，PWM 信號(hào)是 DC/DC 斬波器中的器件的門控信號(hào),主要完成捕獲。s 脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)改變負(fù)載從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大4.2.9 最大功率追蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊S

51、函數(shù)提供了擴(kuò)展模塊的功能,往往 S 函數(shù)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的，因此,根據(jù)本文根據(jù)最大功率追蹤算法框圖,建立 S 函數(shù)拓展模塊,構(gòu)建了最大功率追蹤算法的實(shí)現(xiàn)模塊,對(duì)于最大功率追蹤算法實(shí)現(xiàn)與具有重要意義。本文根據(jù)最大功率追蹤算法,通過編寫 M 文件的 S 函數(shù)建立相應(yīng)的圖 4-30 所示。模塊，其接口模塊擴(kuò)展如39鹽城工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（2014）圖 4-30MPPT 接口模塊擴(kuò)展示意圖4.2.10 系統(tǒng)模型綜合上述基礎(chǔ)建立系統(tǒng)模型,如圖 4-31 所示。圖 4-31 系統(tǒng)模型全景圖4.3 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)果分析4.3.1 風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速的測(cè)定額定風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)重要的分析參數(shù),它對(duì)于功率輸出和風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行具有重要的參考意義，而由機(jī)與使用的必然