課程設計任務書

1、鹽城工學院課程設計說（2015）目錄1. 摘要22. PSCAD 軟件簡介33. PSCAD 樣例說明43.1 直流電機樣例功能與工作原理分析43.2 直流電機樣例3.3 直流電機樣例3.3.1 轉速特性模型的建立過程6結果分析10n=f（ P2 ）113.3.2 轉矩特性113.3.3 轉矩-轉速特性（機械特性）114.永磁風力發(fā)電機模型的建立134.1 永磁風力發(fā)電機工作原理分析(包括方法分析)1341.1 永磁同步電機的數(shù)學模型134.1.1.1 永磁同步電機在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型144.1.2 永磁同步電機在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型164.2 機側系統(tǒng)的策略分析184.2.1

2、風力機的最大風能捕獲原理184.2.2 永磁同步電機的4.2.3 永磁直驅型風力4.3 直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的策20模型22模型244.3.1 風源及風機模塊244.3.2 負載電路244.3.3 閉環(huán)模塊28結果分析304.45. 過程中遇到的問題及解決的方法316. 心得體會327. 參考文獻33附錄34附錄 1：直流電機樣例電路圖34附錄 2：永磁風力發(fā)電機電路圖35附錄 3：永磁風力發(fā)電機原理圖361鹽城工學院課程設計說（2015）1. 摘要隨著環(huán)境污染的加劇和能源的加深,風能開發(fā)等新能源利用技術成為世界研究的熱點課題。永磁直驅風力發(fā)電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本優(yōu)點而成為研究

3、的重點機型,掌握其運行特性和提高風電機組的風能捕獲效率是風力發(fā)電領域的重要研究課題。最大功率跟蹤(MPPT)策略是提高風電系統(tǒng)功率轉換效率的重要方法。本文系統(tǒng)研究了風力發(fā)電系統(tǒng)的運行原理,對永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)進行了詳細的理論研究,重點研究基于爬山搜索法的最大風能追蹤法,以期實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行。策略,并提出了相應的目標和實現(xiàn)方首先介紹了課題的研究背景和意義,綜述了國內外風力發(fā)電發(fā)展概況;為簡化結構、降低成本及提高可靠性,本文提出了包含永磁同步發(fā)電機、二極管整流橋及斬波器的改進型的小型風力發(fā)電系統(tǒng)結構;在分析系統(tǒng)工作原理基礎上,建立系統(tǒng)部件的數(shù)學模型及完整的系統(tǒng)模型?，F(xiàn)有的永磁直驅風力發(fā)電

4、系統(tǒng),基于 PSCAD/EMTDC軟件搭建了相應的平臺,開發(fā)了改進型的小型風電系統(tǒng)模型。2鹽城工學院課程設計說（2015）2.PSCAD 軟件簡介PSCAD/EMTDC（全稱 Power Systems Computer Aided Design）是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)軟件， EMTDC 是其計算， PSCAD 為 EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）提供圖形操作界面。最早版本的 EMTDC由Dennis Woodford 博士于 1976 年在水電局開發(fā)完成。在 1975 年開始編寫。編寫這個程序的原最初的 EMTDC 代碼由.因是

5、因為當時現(xiàn)存的研究工具不能夠滿足電力局對河高壓直流工程進行強電EMTDC和靈活的研究的要求。自此之后程序被不斷開發(fā)，至今已被廣泛地應用在許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學研究。開始時在大型計算機上使用。然后在 1986 年被移植到 Unix 系統(tǒng)和以后的Windows 系統(tǒng)上。PSCADPSCAD/EMTDC 采用時域分析求解完整的電磁和機電兩個系統(tǒng))，結果不僅非常精確。更值得一提的是它及微分方程(包括電用戶在一個完備的的同時，可以改變圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，進行分析，用戶在參數(shù)，從而直觀地看到各種測量結果和參數(shù)曲線，極大地方便用戶提效率。PSCAD 里面提供豐

6、富的元件庫，從簡單的無源元件到復雜的真的樂趣和模塊，以致電機、FACTS 裝置、電纜線路等模型都有涵蓋。如果這些還不夠你用的話，PSCAD用戶自定義的方式全新定義一個模塊；新模塊可以由元件提供的模塊組合形成，當然你干脆用 FORTRAIN 寫一個，也沒問題，但前提是可以正確運行。其自帶的范例對于初學者來說，也是非常有用的，包括了各種典型的研究對象，初學者可以從這些典型模型上修改開始，直至發(fā)展成為想要的研究對象。3鹽城工學院課程設計說（2015）3.PSCAD 樣例說明該樣例通過 PSCAD 進行模擬實驗，實現(xiàn)了對改變直流電機的轉矩和輸入輸出負載時直流電機的輸入電流和輸入電壓的變化情況的研究。并

7、且在一定范圍內，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的靈活可調，是結果更加具有多樣性。3.1 直流電機樣例功能與工作原理分析圖 3-1 直流電機主電路圖如圖 3-1 所示，左側單相電壓源給直流電機供電，且 Ra-ext 可調；上方為負載，負載電阻 Rf-ext 可調，固定負載為 1 兆歐姆；右側為機的轉速和轉矩。電路，可以顯示出直流電鹽城工學院課程設計說（2015）圖 3-2 參數(shù)調節(jié)電路如圖 3-2 所示，該部分為兩個電阻的阻值選擇電路，Ra 可直接由下方的面板調節(jié)，Rf 由一個雙向選擇開關（Re 和 30.0 二選一）和一個單輸入比較模塊共同決定，轉矩 Tm 也可以在此面板。5鹽城工學院課程設計說（2015）3.2

8、 直流電機樣例模型的建立過程圖 3-3 直流電機模型首先選取直流電機模型，如圖 3-3 所示。這個模塊是一個兩個繞組的直流電機， 電樞端子（右邊的+和-）和磁場繞組端（+和-）可作為外部電氣連接，這使得它可以對他勵電機，并聯(lián)機床或一系列機進行。典型的連接和與直流機多質量模型的使用包括作為實例例，包括與您的 PSCAD 軟件。這些可以在 PSCAD 安裝目錄中找到（即pscad400實例）。其中 W 代表輸入的機械轉子轉速（標值表示），Te 代表電機產(chǎn)生的輸出轉矩（標值表示）。圖 3-4 單行電流源及阻抗模塊第二步，如圖 3-4 所示，選取單相電流源模型，該模型的的單相交流或直流電壓源，在源阻抗

9、可能被指定為理想（即無窮大）。如圖 3-5 所示,電阻是一個線性的電器元件，其阻值保持為一個固定的模擬值。6鹽城工學院課程設計說（2015）電流表是用來創(chuàng)建一個信號，它表示電流（KA）流經(jīng)分支。這個信號是由用戶指定一個名稱。信號，該名稱必須作為數(shù)據(jù)上的線或組件的輸入，如圖3-6 所示。電流表試圖找到一個 R，L 或 C 系列本支然后措施，通過它的電流。如果一個串聯(lián)支路中不難發(fā)現(xiàn)，組件本身將作為一個理想的分支（零阻抗）。一個理想的短路而增加不必要的負擔，速度和應該避免，除非絕對必要的。有時可能需要添加一個小電阻與電流表串聯(lián)使測量更有效。在這種情況下，你知道有沒有可用的串聯(lián)支路（測量電流在傳輸線或

10、變壓器為例），你可以考慮增加一個小的串聯(lián)電阻與儀表避免強迫理想的支。電壓表是用來創(chuàng)建一個信號，它代表了電位差（千伏）中的兩個節(jié)點之間的電路圖。這個信號是由用戶指定一個名稱。接入信號，用戶必須使用名稱作為數(shù)據(jù)上的線或組件的輸入連接。一個特殊的電壓叫電壓表（接地）也可以方便地測量節(jié)點。搭建電流表和電壓表之后，電源模塊就完成了，如圖 3-6 所示圖 3-6 輸入電源模塊第三步，參照上述步驟，搭建負載模塊，如圖 3-7 所示，選取單相電流源模型， 該模型的的單相交流或直流電壓源，在源阻抗可能被指定為理想（即無窮大）。如圖3-5 所示,電阻是一個線性的電器元件，其阻值保持為一個固定的模擬值。圖 3-7

11、負載模塊第四步，如圖示，搭建可調電阻及轉矩電路。其中，用到的元器件有：7鹽城工學院課程設計說（2015）1. 輸入選擇器：該組件的輸入將信號連接到 A，或信號連接到 B，這取決于值。2. 數(shù)/整數(shù)輸入滑塊：該滑塊是專業(yè)的用戶界面控件的一部分，其中用戶可以手動調整輸出的模擬運行期間。這個家庭的組件還包括旋轉開關（撥號），兩狀態(tài)開關和按鈕。3. 入比較器：此組件的兩個值之一的輸出，根據(jù)輸入信號是否高于或低于輸入閾值。如果啟用插值兼容性，然后內插信息（即確切的時間輸入入門）由設備產(chǎn)生并發(fā)送到輸出。當插值是利用這種裝置非常準確，即使在更大的時間步。實模塊：這部分主要是用來指定一個實型常量的值在數(shù)據(jù)信號

12、線，或一個組件的輸入。4.信號變量：該組件主要用于指定所選擇的件的輸入。該組件的輸出是通過改變該項目的時間值到數(shù)據(jù)信號線，或一個組時間調整。EMTDC 輸入變量，使這些變量5.（因此中描述儀表：在 PSCAD 特殊對象用戶結果）可以在運行過程中改變。這些對象和如何使用它們在以下章節(jié)面板是一個用于容納或儀表界面的組件可以放置在頁面的任何地方的一個項目。一旦如你所愿。面板增加了，然后你可以繼續(xù)添加的或儀表接口，它圖 3-8 參數(shù)調劑電路第五步，繪制輸出波形8鹽城工學院課程設計說（2015）一個圖是一種特殊的運行時對象，可以只居住在一個圖形框架。有兩種類型的 PSCAD 可用圖：覆蓋和聚圖。一個單一

13、的圖形可以顯示多條曲線，在曲線圖中的所有曲線都是基于相同的 Y 軸刻度。以下說明的頂端有一個覆蓋圖和它下面的測謊圖形框架。一旦多個圖形已被添加到一個特定的圖形框架，你可以改變它們出現(xiàn)的順序。鹽城工學院課程設計說（2015）圖 3-9 圖模塊3.3 直流電機樣例結果分析10鹽城工學院課程設計說（2015）圖 3-10結果波形圖3.3.1 轉速特性 n=（f P2 ）根據(jù)得到轉速公式從上式中可以看出，在端電壓 U、勵磁電流 If 均為時，電的轉速 n 只與電樞總電阻壓降 IaRa 及電樞反應有關。當輸出功率 P2 增加時，電樞總電阻壓降IaRa 也增加，使轉速 n 趨于下降；而電樞反應的去磁作用又

14、會使電機的轉速 n 增加。這兩個因素對轉速的影響部分抵消，使電機的轉速特性曲線如圖 3-40 所示。具有稍微下降的轉速特性（較硬，接近于恒速）。如圖 3-10 所示。反映轉速變化大小的性能指標是轉速調整率在實際運行中，應特別注意：勵磁繞組絕對不能斷開（或絕不能先斷開勵磁電源）。從上式可知，若先切斷勵磁電源，則氣隙磁場很小（即每極磁通量很?。姌须娏餮杆僭龃蟠藭r若負載為輕載，則電的轉速將迅速增大，造成“飛車”現(xiàn)象。此時若負載為重載，則電可能停轉，使電樞電流迅速增大到起動電流造成燒毀電機事故。3.3.2 轉矩特性據(jù)轉矩方程得出轉矩特性曲線如圖 3-10 所示。當轉速為時，則轉矩特性應為一條過（0

15、，T0）點的直線。因轉速 n 會隨輸出功率 P2 的增大而稍微下降，故并勵電特性曲線略微向上彎曲。的轉矩3.3.3 轉矩-轉速特性（機械特性）轉速與轉矩的關系表11鹽城工學院課程設計說（2015）得特性曲線如圖 3-10 所示。從上式中可看出，因勵磁回路電阻 Rf 為，在端電壓 U=UN=Uf，且不計電樞反應時，為，又故并勵電的機械特性曲線是一條稍微下降的直線。若計及磁飽和，電樞反應呈略去磁作用，電機的空載轉速會增大，直線的斜率亦會增大。12鹽城工學院課程設計說（2015）4.永磁風力發(fā)電機模型的建立4.1 永磁風力發(fā)電機工作原理分析(包括方法分析)本章基于背靠背雙 PWM 變流器拓撲結構機側

16、系統(tǒng)的技術展開研究。直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機，可通過機側變流器的使其電流幾乎為正弦，并有效的其轉矩和轉速，提高發(fā)電機的效率，降低發(fā)電機和變流器的設計容量，使系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定，也可有效地解決等帶來的效率低的問題。中低次諧波和同步電抗基于背靠背雙 PWM 變流器直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的主電路結構：兩個變流器通過直流側大電容相連。網(wǎng)側變流器的作用主要是穩(wěn)定直流側母線電壓，并向電網(wǎng)輸送所需的電流及提供靈活的有功和無功功率；機側變流器的主要作用是將永磁同步發(fā)電機發(fā)出的頻率和電壓幅值變化的交流電整流成直流電，電機轉速、轉矩和電機的電流波形，實現(xiàn)最大風能捕獲，以提高電機的運行效率和穩(wěn)定性。由于基于

17、主動整流拓撲的電機側變流器與網(wǎng)側變流器的拓撲在結構上相同，因 此二者在數(shù)學模型的建立和策略推導上有很多相似之處，如坐標變換、PWM 調制等等。本章將不再重復這部分內容，而是主要略展開研究。永磁同步電機的數(shù)學模型、風機最大風能捕獲原理及其策41.1 永磁同步電機的數(shù)學模型圖 4-1 基于主動整流拓撲的電機側變流器主電路圖圖 4-11 為直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的機側主電路。isx 為定子相電流， usx 為電機各相端電壓，x=a，b，c；從變流器直流側看網(wǎng)側變流器可等效為一個直流源udc ；13鹽城工學院課程設計說（2015）Q1 Q6 為變流器主開關管；為方便分析，電機定子電流以電動方向為正。永磁同

18、步電機按工作原理不同，可分為正弦波永磁同步電機和方波無刷直流電機。本文采用正弦波永磁同步電機，其勵磁由磁鐵來實現(xiàn)，不需要定子額外提供勵磁電流。另外，由于 15MW 直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中永磁電機的功率較高，因此需選擇低速多極高功率因數(shù)的永磁同步電機。永磁同步電機根據(jù)轉子上安裝永磁體結構的不同，一般可分為表面貼裝式和內嵌式兩種，根據(jù)本文風電系統(tǒng)的特點選擇了面貼式內轉子結構的永磁同步電機。表面貼裝式的永磁同步電機是在轉子鐵芯外表面貼永磁體，永磁體通常為瓦片形，這種電機結構簡單、制造方便、轉動慣量小。表面凸出式的轉子結構屬于隱極式轉子結構，其橫縱電感相同且與轉子位置無關，故這種結構的永磁體磁極易于實現(xiàn)

19、最優(yōu)化設計，使電機氣隙磁密波形接近正弦波，從而減小磁場諧波和效應，提高了電機的運行性能。目前大功率直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的永磁同步電機大多都采用這種稀土永磁材料的表面轉子磁路結構。4.1.1.1 永磁同步電機在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型在實際應用中永磁低速同步電機由于鐵芯飽和及極靴和附加氣隙的磁滯損耗等，漏磁導和漏磁系數(shù)均為變量，使得電機運行矢量的分析復雜。因此，為了簡化分析，在建立數(shù)學模型過程中作如下假設：(1) 忽略鐵芯飽和，不計渦流和磁滯損耗；(2) 轉子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用；(3) 轉子磁場在氣隙空間分布為正弦波，且定子電樞繞組中的感應電動勢也為正弦波； (4)不考慮電機運

20、行時外界條件(如溫度)對永磁體磁鏈的影響，認為永磁體工作時磁鏈為一。圖4-2 為一臺二極永磁同步電機的等效物理模型，坐標系及各量的正方向如圖4-2 所示。圖中，定子三相繞組軸線 A、B、C 是靜止的，取發(fā)電機永磁體磁極的軸線為d 軸，與 d 軸正交的是 q 軸，超前 d 軸 900，d-q 同步旋轉坐標在空間中以同步角速度織隨轉子一起旋轉，用 d 軸與 A 軸之間的夾角 q 來表示轉子位置角。（1）電壓方程三相靜止坐標系下定子電壓方程可表示為14設計說（2015）（2）磁鏈方程定子繞組的磁鏈是由各繞組自感磁鏈和其他繞組的互感磁鏈及轉子磁鏈組成的，定子磁鏈方程為（3）運動方程低速永磁同步發(fā)電機內

21、部電磁關系的建立，離不開輸入機械轉矩及由此產(chǎn)生的電磁轉矩之間的平衡關系。轉矩之間的平衡關系為：式中， Tm 為原輸入的機械轉矩； Te 為電磁轉矩；B 為摩擦系數(shù)；J 為系統(tǒng)的轉動慣量： wr 為機械角速度。圖 4-2 同步電機物理模型15鹽城工學院課程設計說（2015）4.1.2 永磁同步電機在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型利用坐標變換理論，將上述三相靜止坐標系(abc)下的電壓方程和磁鏈方程變換到同步旋轉坐標系(dq)下，下式所示。永磁同步電機在 d、q 軸上的轉矩方程可表示可以看出永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩有兩部分組成，中括號內的第一0 是由定子電流和永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉矩；第二

22、項(kk)乙 0 是由轉子凸極效應引起的磁阻轉矩。對于隱極同步電機厶=k，或在運行過程中使定子電流的 d軸分量始終為零，則由此可見永磁同步電機的電磁轉矩，實際上就是轉矩分量。定子電流的 q 軸分量，及其消去磁鏈，可得永磁同步發(fā)電機在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型表：16鹽城工學院課程設計說（2015）可得永磁同步發(fā)電機在同步旋轉坐標系(dq)下的等效電路圖 4-3 永磁同步發(fā)電機d、q 軸等效電路17鹽城工學院課程設計說（2015）4.2 機側系統(tǒng)的策略分析4.2.1 風力機的最大風能捕獲原理在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力機作為原，將風能轉化為機械能，是整個風電系統(tǒng)能量轉換的重要部件。風能大小與風速和風能

23、密度有關，常用的計算公式如下：由空氣動力學原理可知，通過葉輪旋轉面的風能不能全部被風輪吸收利用，可以定義一個風能利用系數(shù)Cr ，它是風力機吸收功率與通過葉輪旋轉面的全部風能的比例，直接反映風力發(fā)電系統(tǒng)對風能的利用率，與槳距角b 和葉尖速比l 密切相關。其中， b 為葉片翼弦與葉片旋轉角的夾角， l 為葉片的葉尖線速度與風速之比。所以風力機的輸入功率為根據(jù)理論，理想槳葉的最大風能利用效率為Cp max =1627=0593，考慮到阻力、葉尖損失以及葉片設計并非完美等因素，實際系統(tǒng)中Cp max 的最大值遠遠低于極限，一般僅達到 0.47。功率系數(shù)Cp 是b 和l 的函數(shù)，圖 4-4 給出了功率系

24、數(shù)Cp ( b ，l )曲線?？梢?，在槳距角一定時，隨著風速和風機轉速的變化，存在一個最優(yōu)葉尖速比lopt ，使功率系數(shù)為最大值；當葉尖速比一定時，隨著槳距角的增大，功率系數(shù)呈下降趨勢。因此，要實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤，必須根據(jù)風速大小來調節(jié)發(fā)電機的轉速， 從而維持最優(yōu)葉尖速比。當風速低于額定值時，即最大功率跟蹤階段，通常保持槳距角不變，來獲得最大風能利用系數(shù)：當風速超過額定值時，由于風力發(fā)電機組的機械強度、發(fā)電機及變流器容量限制等因素的影響，必須降低風機的能量捕獲，使輸出功率維持在額定值附近，從而避免強風對風機造成損害，這需要通過機組功率調節(jié)來實現(xiàn)，常見的功率調節(jié)方式有定槳距失速調節(jié)、變槳距調

25、節(jié)和主動失速調節(jié)三種。18鹽城工學院課程設計說（2015）圖 4-4 功率系數(shù)曲線本文主要分析在額定風速以下的最大的風能捕獲，當風速改變時，風機轉速相應地改變以保持最優(yōu)葉尖速比，從而獲得最大輸出功率。由圖 34 可知，當槳距角b一定時，存在一個最佳葉尖速比lopt ，對應最大的風能利用系數(shù)Cp max 。由可知，在風速不斷變化的過程中要保持l = lopt ，必須使風機的轉速wm 隨風速按照一定的比例 Kopt = lopt / Rm 變化，才能保證最大風能捕獲。由于在直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中，沒有齒輪箱的耦合，風力機的轉速等于永磁同步發(fā)電機的轉速， wm = wr ，調節(jié)發(fā)電機的轉速隨風速變化即

26、可實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。圖4-5 為不同風速下風力機輸出的機械功率與風力機轉速關系的特性曲線。其中，n1 、n2 、n3 為對應風速下風力發(fā)電系統(tǒng)達到最大功率輸出時的風機轉速。實現(xiàn)最大功率跟蹤的具體方案有多種。其中，轉速是根據(jù)風速來發(fā)電機轉速，使二者符合最佳葉尖速比的關系，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。也可通過功率的機械功率與轉速符合最佳功率曲線來獲取最大功率。不管是速度使發(fā)電機吸收還是功率來實現(xiàn)最大都電氣參數(shù)密切相關。為了簡化分析，本文采用最佳葉尖速比風能捕獲，這種算法在中較容易實現(xiàn)，但是在實際系統(tǒng)中由于很難準確的測量風速信號，誤差較大，不能獲得很好的功率對最大功率跟蹤算法進一步完善改進。效果，因此

27、在后續(xù)實際系統(tǒng)中還需19鹽城工學院課程設計說（2015）圖 4-5 功率-轉速關系曲線4.2.2 永磁同步電機的永磁同步發(fā)電機的策策略與網(wǎng)側變流器的電壓定向和直接功率相對應，其定向策略上主要分為矢量和直接轉矩兩類，前者基于轉子磁場，后者基于定子磁場定向，不同的目標其實現(xiàn)方法也不同。本文主要研究永磁同步發(fā)電機最常用的策略，即基于轉子磁場定向的零 d 軸電流的矢量方法。零 d 軸電流是將永磁同步電機 d 軸電流為零，當轉子磁場恒定時，則電磁轉矩與 q 軸電流成正比，這是零 d 軸電流的優(yōu)點之一，即電磁轉矩與定子電流呈線性關系，如下式所示。通過轉子磁場定向，將定子電流的矢量is 定向在永磁同步發(fā)電機

28、同步旋轉坐標系的 q 軸上，即is = isq 。另外當 d 軸電流鏈垂直，沒有去磁分量，因此可以避免由于為零時，電樞反應磁鏈與轉子磁策略的造成永磁體退磁。定子電流全部用來產(chǎn)生電磁轉矩，當勵磁分量isd = 0 時，定子電流可獲得最大轉矩，實現(xiàn)對發(fā)電機的最大轉矩。20鹽城工學院課程設計說（2015）與網(wǎng)側變流器分析類似，定子 d、q 軸電流分量isd 、isq 除受電壓usd 、usq的影響外，還受耦合電壓-we Lsdisd 和we Lsqisq 的影響。由于單純的定子 d、q 軸電流負反饋不能實現(xiàn)解耦，因此需對定子 d、q 軸電流的引入前饋補償項，實現(xiàn)對電流isd 、isq 的解耦q 軸電

29、流。采用前饋解耦就可實現(xiàn)由usd 、usq 分別的定子 d、要使實際電流跟蹤給定值，需在式(313)中加入反饋制策略。當電流內環(huán)調節(jié)器采用 PI 調節(jié)器時，則usd 、usq 的量，采用前饋解耦控方程如下計側系統(tǒng)轉速外環(huán)的速度參考值w* 通過 MPPT 算法給出，調節(jié)發(fā)電機的電磁轉矩，使得實際轉速跟蹤參考轉速即可捕獲最大風能。參考轉速與實際轉速相比較，在經(jīng)過 PI 調節(jié)器即可得到有功電流的參考值i* 。對永磁同步發(fā)電機采用i =0 轉子磁sqsd策略時，無功電流參考值i*鏈定向的矢量=0。sd永磁同步發(fā)電機在同步旋轉坐標系下基于轉子磁場定向的零如圖 4-6 所示。d軸電流框圖圖 4-6 基于轉

30、子磁場定向的零d 軸電流框圖21鹽城工學院課程設計說（2015）4.2.3 永磁直驅型風力模型圖 4-7 為永磁直驅型風力發(fā)電變流器系統(tǒng)原理圖，基于 a-b-c 坐標系到 d-q坐標系變換的基礎上，在同步旋轉坐標系下對其 d、q 軸的瞬時變量進行反饋。圖 4-7 永磁直驅型風力發(fā)電變流系統(tǒng)框機側永磁同步發(fā)電機采用基于轉子磁場定向的零 d 軸電流策略，機側系統(tǒng)為雙閉環(huán)方式，外環(huán)為轉速環(huán)、內環(huán)為電流環(huán)。其中永磁同步發(fā)電機的轉子位置角q1 在中可以直接檢測，而在實際應用中通常采用無速度傳感器的方式來實現(xiàn)轉子位置角的檢測。機側系統(tǒng)中，轉速外環(huán)的速度參考值w* 通過最大功率跟蹤算法給出，與實際的電機速度

31、w比較，再經(jīng)過 PI 調節(jié)器得到有功電流的參考值i* 而sq中無功電流的參考值i* =0.。i*和i* 分別與對應的定子電流反饋值i零 d 軸電流sdsdsqsd和isq 相比較后的誤差經(jīng)過 PI 調節(jié)器輸出，再與各自的解耦補償前饋補償算后得到永磁同步發(fā)電機的定子端電壓usd 、usq 。電壓usd 、usq 經(jīng)脈寬調制后產(chǎn)生驅動信號，實現(xiàn)對永磁同步發(fā)電機的。機側變流系統(tǒng)主要有轉速電流雙閉環(huán)回路、速度和轉子位置角檢測模塊、a-b-c 坐標系到 d-q 坐標系變換模塊和脈寬調制輸出模塊四部分組成。網(wǎng)側變流器采用電壓定向策略，外環(huán)為電壓環(huán)、內環(huán)為電流環(huán)。直流環(huán)節(jié)給定電壓U *和反饋電壓U 相比較后

32、的誤差經(jīng)過 PI 調節(jié)器輸dcdc22鹽城工學院課程設計說（2015）出有功電流給定值i* ：，而無功電流給定值i* 由功率因數(shù)決定。i* 和i* 分別與對應的dqdq反饋值id 和iq 相比較后的誤差經(jīng)過PI 調節(jié)器輸出，再與各自的解耦補償電網(wǎng)電壓擾動的前饋補償算后得到變流器交流側的電壓Ud 和Uq 。電壓Ud和Uq 經(jīng)脈寬調制后產(chǎn)生驅動信號，實現(xiàn)對網(wǎng)側變流器的。在網(wǎng)側變流器輸出電壓對稱的情況下，d-q 坐標系下三相逆變器輸出電壓的 d 軸分量為一常量，等于 a-b-c坐標系下相電壓的幅值 Um，而 q 軸分量為零。由于 d、q 軸分量均為直流常量，這樣有利于三相逆變器的實現(xiàn)。網(wǎng)側變流系統(tǒng)主

33、要由電壓電流雙閉環(huán)回路、鎖相環(huán)模塊、a-b-c 坐標系到 d-q 坐標系變換模塊和脈寬調制輸出模塊四部分組成。23鹽城工學院課程設計說（2015）4.3 直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的模型本次通過對風力發(fā)電的模擬，實現(xiàn)了風力機的并網(wǎng)發(fā)電，使不穩(wěn)定的風源輸入可以變成穩(wěn)定的電壓輸出，并且實現(xiàn)并網(wǎng)送電，滿足了“幅值”“頻率” “相位”三者與電網(wǎng)一致的并網(wǎng)條件。4.3.1 風源及風機模塊建立風源及風機模塊（即輸入模塊），如圖 4-8 所示。圖 4-8 風力機及風源模塊風力機模塊是一個風力葉輪機，風速和葉輪角速度作為輸入項輸入風力機中， 是渦輪葉片的角度和進度。TM 和 P 分別是輸出轉矩和功率。風源模塊模擬的是

34、一個速度不定的風速來源，外部輸入的 ES 可用于任何類型的風的變化可能不被定義在組件的輸入。用戶可以選擇啟用或禁用該輸入。其中 Vw 代表風速，是 m/sW 代表風輪葉片角速度，Tm 代表輸出的轉矩，是 rad/s是 N*mP 代表輸出功率，4.3.2 負載電路是 W進行負載部分（即并網(wǎng)部分）電路的搭建24鹽城工學院課程設計說（2015）圖 4-9 負載電路如圖 4-9 所示，由于風速的不確定，風力機輸出的電壓也是不穩(wěn)定的，并網(wǎng)條件，因此需要一個三相符合并網(wǎng)條件的電壓。逆變電路，將不穩(wěn)定的風機輸出電壓變?yōu)榉€(wěn)定的、晶閘管是一種三結四層的可控整流元件，要使晶閘通，除了要在陽極陰極間加正向電壓外，還

35、必須在級加正向電壓，它一旦導通后，級就失去作用，當陰極電流下降到小于維持電流，晶閘管回復阻斷。因此，晶閘管的這一性能可以充分的應用到許多的可控變流技術中。在實際生產(chǎn)中，直流電機的調速、同步電的勵磁、電鍍、電焊等往往需要電壓可調的直流電源，利用晶閘管的單向可控導電性能，可以很方便的實現(xiàn)各種可控整流電路。當整流負載容量較大時，或要求直流電壓脈沖較小時，應采用三相整流電路，其交流側由三相電源提供。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應用最廣泛的是三相橋式整流電路。三相半波可控電路只用三只晶閘管，接線簡單，但晶閘管承受的正反向峰值電壓較高，變壓器二次繞組的導電角僅 120°，

36、變壓器繞組利用率較低，并且電流是單向的，會導致變壓器鐵心直流磁化。而采用三相橋式整流電路，流過變壓器繞組的電流是反向電流，避免了變壓器鐵芯的直流磁化，同時變壓器繞組在一個周期的導電時間增加了一倍，利用率得到了提高。逆變是把直流電變?yōu)榻涣麟?，它是整流的逆過程，而有源逆變是把直流電經(jīng)過直-交變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電反送到電網(wǎng)上去。逆變在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、航空航天、辦公自動化等領域已得到廣泛的應用，最多的是交流電機的變頻調速。另外在感應加熱電源、航空電源等方面也不乏逆變電路的身影。三相橋式整流電路是利用晶閘管的單向可控導電性能，實現(xiàn)直流電變交流電，電路結構采用共陰極接法的三相半波（VT1

37、,VT3,VT5）和共陽極接法的三相半波（VT4,VT6,VT2）的串聯(lián)組合，由于共陰極組在正半周導電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；而共陽極組在負半周導電，流經(jīng)變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒有直流磁通，且每相繞組正負半有電流通過，提高了變壓器的利用率。共陰極組的輸出電壓是輸入電壓的正半周，共陽極組的輸出電壓是輸入電壓的負半周，總的輸出電壓是正負兩個輸出電壓的串聯(lián)。有源逆變是將直流電變成和電網(wǎng)同頻率的交流電并送回到交流電網(wǎng)中去。逆變的兩個條件，一是要有直流電動勢，其極性晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路直流側的平均電壓，因此主電路圖采用了一個用整流二極管 VD1VD6 組成三相不可控整

38、流電路來提供一個直流電動勢，為了保證其值大于變流電路直流側的平均電壓，應該給變流電路直流側加一個變壓器來滿足條件；二是晶閘管的角>90（即 0<<90°）,使 Ud 為負值。只有同時滿足這兩個條件，才能實現(xiàn)逆變。三相橋式整流及有源逆變主電路圖如圖 4-10 所示。25鹽城工學院課程設計說（2015）圖 4-10 三相橋式整流及有源逆變主電路電路工作原理（1）整流電路在上圖所示的三相橋式整流電路中，設L>>Rd,在=0°時，其對應的各電壓、電流波形如下圖所示：根據(jù)晶閘管的導通條件可知，對共陰極組來說，哪相電位較其他兩，就觸發(fā)該相晶閘管使其導通；對

39、共陽極組來說，哪相的電位較其他兩相低時，就觸發(fā)該相晶閘管使其導通。為保證整流電流 id 有通路，必須保證在同一時刻里共陰極組和共陽極組中各有一個晶閘通。即電流的通路為：變壓器二次繞組共陰極組的某相負載共陽極的某相變壓器二次繞組。整流輸出電壓為Ud=Ud1-Ud2其中，ud1 為共陰極組輸出電壓瞬時值；ud2 為共陽極組輸出電壓瞬時值。如果共陰極組和共陽極組角相同，則兩組整流電壓平均值相等，三相橋式整流電路的整流電壓應為三相半控時的兩倍。在一個周期內，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5 VT6。在這里只分析=0°時的工作 情況如上圖所示，將一個周期相電壓分為六個區(qū)間：在

40、t1t2 區(qū)間：U 相電壓最高，VT1 被觸發(fā)導通。V 相電壓最低，VT6 被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uu-Uv=Uuv。在t2t3 區(qū)間：U 相電壓最高，VT1 被觸發(fā)導通。W 相電壓最低，VT2 被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uu-Uw=Uuw。在t3t4 區(qū)間：V 相電壓最高，VT3 被觸發(fā)導通。W 相電壓最低，VT2 被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uv-Uw=Uvw。在t4t5 區(qū)間：V 相電壓最高，VT3 被觸發(fā)導通。U 相電壓最低，VT4 被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uv-Uu=Uvu。在t56t 區(qū)間：W 相電壓最高，VT5 被觸發(fā)導

41、通。U 相電壓最低，VT426鹽城工學院課程設計說（2015）被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uw-Uu=Uwu。在t6t7 區(qū)間：W 相電壓最高，VT5 被觸發(fā)導通。V 相電壓最低，VT6 被觸發(fā)導通，加在負載上的輸出電壓 Ud=Uw-Uu=Uwu。（2）整流電路的工作特點任何時候共陰極和共陽極組各有一個元件同時導通才能形成電流通路。每個晶閘通角為 120°；共陰極組晶閘管 VT1,VT3,VT5，按依次觸發(fā)導通，相位相差 120°，共陽極組晶閘管 VT2，VT4,VT6,相位相差 120°，也按依次觸發(fā)導通，同一相得晶閘管相位差 180°.輸

42、出電壓由六段電壓組成，每周期脈動六次。晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，它至于晶閘管的導通情況有關，其波形由三段組成。一段為零，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。變壓器二次繞組流過正、負兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了利用率。對觸發(fā)脈沖寬度的要求。整流橋正常工作時，需保證同時導通的 2 個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度大于 60°；另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時一個序號的晶閘管補發(fā)一個脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以采脈沖觸發(fā)。>0°時，晶閘管不在自然換相

43、電換流，而是從自然換相點后移角度開始換流，工作過程與=0°基本相阻性負載60°時的 Ud 波形連續(xù)，>60°時 Ud 波形連續(xù)，=120°時，輸出電壓為零，因此三相圍為 0° 120°。（3）逆變電路橋式整流電路電阻性負載相移范圖 4-10 為三相橋式有源逆變電路的原理圖。為滿足逆變條件，左端橋式不可控整流電路為逆變提供了上正下負的電動勢。（4）注意事項1.整流及逆變電路與三相電源連接時，一定要注意。2.整流電路的負載電阻不易過小，應使 Id 不不超過 0.8A，同時負載電阻不宜過大，保證 Id 超過 0.1A，避免晶閘管時斷時

44、續(xù)。3.為防止逆變，逆變角必須安置在 30°90°范圍內。4.示波器的使用必須注意，兩根地線必須接在等電位點，防止造成短路。 八最小逆變角的確定為保證逆變能正常工作，使晶閘管的換相能在電壓負半波換相區(qū)之內完成換相， 觸發(fā)脈沖必須超前一定的角度，也就是說，逆變角必須要有嚴格的限制。1. 換相重疊角。由于整流變壓器存在漏抗，使晶閘管在換相時存在換相重疊角。值隨電路形式、工作電流大小不同而不同，一般選取 15°25°電角度。2. 晶閘管關斷時間 Tg 所對應的電角度。晶閘管從導通到完全關斷需要一定的27鹽城工學院課程設計說（2015）時間，這個時間 Tg 一般

45、由管子的參數(shù)決定，通常為 200300s，折合到電角度 約為 4°5.4°。3.安全余量角。由于觸發(fā)電路各元件的工作狀態(tài)會發(fā)生變化，使觸發(fā)脈沖的間隔出現(xiàn)不均勻既不對稱現(xiàn)象，再加上電源電壓的波動，波形畸變等因素，因此必須留有一定的安全余量角，一般為 10°左右。綜合以上因素，最小逆變角+=30°35°。4.3.3 閉環(huán)閉環(huán)模塊摸塊如圖 4-11 所示圖 4-11 閉環(huán)模塊閉環(huán)是論的一個基本概念 指作為被控的輸出以一定方式返回到作為的輸入端指輸出端通過與對輸出端再并對輸入端施加影響的一種關系在論中 閉環(huán)通常旁鏈 方式回饋到輸入 所謂閉環(huán)輸出端回饋到

46、輸入端并參這閉環(huán)的目的 這種目的是通過反饋來實現(xiàn)的閉環(huán)與計劃是根據(jù)對象輸出反饋來進行校正的方式 它是在測量出實際從輸出量變化取出控時 按定額或標準來進行糾正的 閉環(huán)制信號作為比較量反饋給輸入端輸入量一般這個取出量和輸入量相位相反比如家用空調溫度的所以叫負反饋自動通常是閉環(huán)原理：當受控客體受干擾的影響 其實現(xiàn)狀態(tài)與期望狀態(tài)時主體中 由將根據(jù)這種偏差發(fā)出新的指令 以糾正偏差 抵消干擾的作用 在閉環(huán)于能力閉環(huán)主體能根據(jù)反饋信息發(fā)現(xiàn)和糾正受控客體運行的偏差 所以有較強的能進行有效的所用的從而保證預定目標的實現(xiàn) 管理中所實行的大多是原理主要是反饋原理 這種如果我們把輸入值用x 表示輸出值用y 表示 客體

47、的功能用s 表示差信息用x 表示系統(tǒng)也即反饋系統(tǒng)的作用用R 表示 偏28鹽城工學院課程設計說（2015）則有 y=S(X+X)=S(X+Ry)=SX+SRy式中 CF 稱反饋因子或參數(shù) 它反映閉環(huán)系統(tǒng)的反饋功能或功能閉環(huán)在各種實例中有具體的表現(xiàn)方式正反饋與負反饋是閉環(huán)常見的兩種基本形式 其中負反饋與正反饋從達到目的的角度講具有相同的意義 從反饋實現(xiàn)具體方式來看 正反饋與負反饋屬于代數(shù)或者算術意義上的 加減 反饋方式即輸出量回饋至輸入端后 和輸入量進行加減的統(tǒng)一性整合后 作為新輸出去進一步輸出量 實際上 輸出量對輸入量回饋遠不止這些方式 這表現(xiàn)為運算上 不僅僅是加減運算 還包括了更廣域的數(shù)算 回饋輸出量對輸入量回饋 也不一定采取和輸入量進行綜合運算形成統(tǒng)一的擴展：開環(huán)輸出 輸出量能通過鏈直接于輸入量等等沒有反饋環(huán)節(jié) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高,響應時間相對來說很長,精確度不高 使用于對系統(tǒng)穩(wěn)定性精確度要求不高的簡單的系統(tǒng) 開環(huán)是指控制裝置與被控對象之間只有按順序工作 沒有反向的過程,按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng),其特點是系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的作用發(fā)生影響沒有自動修正或補償?shù)哪芰﹂]環(huán)有反饋環(huán)節(jié) 通過反饋系統(tǒng)使系統(tǒng)的精確度提高,響應時間縮短,適合于對系統(tǒng)的響應時間,穩(wěn)定性要