畢業(yè)論文風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計題目：風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計院：電氣信息學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：完成日期：2014年5月28日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目：風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計姓名學(xué)院電氣與信息工程專業(yè)電氣工程及其自動班級學(xué)號指導(dǎo)老師教研室主任一、基本任務(wù)及要求：針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用電能變換器的特殊要求，即輸入電壓小、電壓調(diào)整范圍大、輸入電流大、輸出要求不高，但要求可靠性高、效率高、價格低等，設(shè)計并研制一臺風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用電能變換器。輸出電壓：220V±15％;輸出功率：500W;效率：效率不小于91％；功率因數(shù)：不低于0.93。采用電壓環(huán)和電流環(huán)實現(xiàn)雙環(huán)控制，以提高控制性能；具有過流保護、輸出過壓、欠壓保護。主要的設(shè)計內(nèi)容如下：(1)整體方案的確定；(2)主電路設(shè)計與元器件選擇；(3)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計；(4)控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。(5)提交設(shè)計說明書和圖紙。二、進度安排及完成時間：（1）第一周至第三周：查閱資料、撰寫文獻綜述和開題報告；（2）第四周至第六周：總體方案的確定；（3）第七周至第九周：主電路設(shè)計與控制電路設(shè)計；（4）第十周至十二周：參數(shù)計算、元器件的選擇；（5）第十三周至第十五周：撰寫設(shè)計說明書；（6）第十六周：畢業(yè)設(shè)計答辯目錄TOC\o"1-3"\h\u14159摘要 I19388Abstract I8364第1章緒論 1104501.1引言 1107811.2研發(fā)背景及意義 1273831.2.1國際風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電能能變換轉(zhuǎn)置研究現(xiàn)狀 1256991.2.2中國風(fēng)電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2260201.2.2風(fēng)力發(fā)電機組類型簡介 3299591.3本文主要內(nèi)容及其設(shè)計思路 614939第2章永磁同步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體方案 7187122.1引言 754092.2直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 7191882.3直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型 850282.3.1永磁同步電機概述 849402.3.2永磁同步電機原理 8324132.3.3永磁同步電機數(shù)學(xué)模型 9223962.4.1升壓式（Boost）變換器 1212125第3章直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析 14100903.1概述 1427243.2三相二極管整流電路 14244523.3（BOOST）升壓電路 168103.3.1Boost控制結(jié)構(gòu)圖 166044第4章直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略 18270144.1最大功率追蹤法控制方案 18239864.1.1控制方案概述 18154594.2并網(wǎng)運行控制策略 20173794.3雙環(huán)控制 227874.4DSP簡述與選型 2217188第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計 25199715.1基于MATLAB/Simulink環(huán)境下的仿真研究 25164875.1.1MATLAB/Simulink概述 25123855.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 2655695.3系統(tǒng)軟件框圖 2730220第6章仿真驗證 2967476.1仿真總體模型 29149916.1.1仿真分析 3023676結(jié)束語 3312613參考文獻 3431915致謝 364327附錄 37風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計摘要：風(fēng)能作為一種可再生能源越來越受到人們廣泛的重視，其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電中的一個發(fā)展趨勢。而在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，又向著直驅(qū)化方向發(fā)展，但直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能存在著電壓幅值和頻率隨風(fēng)速變化、功率不穩(wěn)定等諸多問題。為解決上述問題，本文對直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)從理論到仿真進行了較為全面的學(xué)習(xí)與分析，在詳細(xì)分析直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點和已有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，確立波永磁同步發(fā)電機、AC-DC-AC的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了系統(tǒng)總體控制策略，該策略能夠很好的實現(xiàn)電壓幅值功率因數(shù)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)主電路主要是雙閉環(huán)（電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)）實現(xiàn)電能功率調(diào)節(jié)，為了提高系統(tǒng)控制性能，設(shè)計了系統(tǒng)過流過壓保護電路，經(jīng)仿真驗證，該系統(tǒng)能夠良好的運行，基本上實現(xiàn)可靠性高，電壓調(diào)節(jié)范圍大，效率等目標(biāo)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；AC-DC-AC變換器；控制策略；雙閉環(huán)調(diào)節(jié)；仿真

TheresearchanddesignofthewindpowerelectricitytransformationmechanismAbstract：Windenergyisrenewableenergywidelyusedbymoreandmorepeople’attention,thevariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationisthetrendofmodernwindpowerdevelopment.Invariablespeedconstantfrequencywindpowergeneration,thedirectdrivingdirectionsystem,whichisadirect-drivewindturbinesgenerateelectricityvoltageamplitudeandfrequencychangewithwindspeed.Obviouslypowerisunstable,andmanyotherproblems.Tosolvetheaboveproblems,thispaperproposedthedirectdrivethatthekeytechnologyinthefieldofvariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationhascarriedonthecomprehensivestudyfromtheorytosimulationandanalysis,thedetailedanalysisofthecharacteristicsofthedirectdrivewindpowersystemandwindpowersystemcontrol.onthebasisoftheestablishmentofpermanentmagnetsynchronousgenerators,matrixconvertermaincircuittopology,basedonspacevectormodulationofmatrixconverterisproposedalgorithm,thealgorithmcanachievegoodvoltageamplitudepowerfactoradjustment,thesystemmaincircuitismainlythedoubleclosedloopouterring,internalringcurrent(voltage)torealizeelectricitypowerregulation,inordertoimprovethesystemcontrolperformance,thedesignofthesystemthroughthevoltageprotectioncircuit,verifiedbythesimulation,thesystemcanwellrun,basicallytoachievehighreliability,largerangeofvoltageregulationandefficiencygoals.Keywords:Windpowergenerationsystem;AC-DC-ACconverter;Systemmodulation;Doubleclosedloopregulation;Thesimulation第1章緒論1.1引言穩(wěn)定、可靠和潔凈能源供應(yīng)是人類文明、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要保障，煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀(jì)和20世紀(jì)兩百年人類文明的進步和發(fā)展。然而，化石能源大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時也感覺環(huán)境惡化的威脅。21世紀(jì)是科技、經(jīng)濟和社會快速發(fā)展世紀(jì)，也將是從化石燃料時代向具有持續(xù)利用能力可再生能源時代過渡，如何實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，從而保持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國必須解決問題。風(fēng)能作為一種取之不盡、用之不竭可再生能源，在地球上蘊藏量十分豐富，具有廣闊應(yīng)用前景。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)技術(shù)成熟、具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿稍偕茉醇夹g(shù)，在遠(yuǎn)期有可能成為世界重要替代能源。發(fā)展可再生能源是當(dāng)今世界一個共同趨勢，歐盟各國開始立法提出了2020年和2050年不同階段可再生能源發(fā)展目標(biāo)，同時跟進有澳大利亞、日本、加拿大等發(fā)達國家，甚至還有印度、巴西、泰國等發(fā)展中國家。風(fēng)電是可再生能源技術(shù)中最成熟的一種，對于應(yīng)對那些傳統(tǒng)能源有關(guān)迫在眉睫環(huán)境和社會影響，風(fēng)力發(fā)電是個切實可行、立竿見影解決方案[1]。1.2研發(fā)背景及意義1.2.1國際風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電能能變換轉(zhuǎn)置研究現(xiàn)狀能源困局不是中國獨特的問題，美國、日本、歐洲和印度都是如此。面對化石燃料日益枯竭的威脅，人們都在討論后續(xù)能源的續(xù)接問題。美國的氫技術(shù)、日本的陽光計劃、歐盟2050年，可再生能源50%戰(zhàn)略目標(biāo)，都是破解能源困局思路。在各種各樣的選擇中，風(fēng)電也許是最值得考慮的選擇。歐盟風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織《風(fēng)力12：關(guān)于2020年風(fēng)電達到世界電力總量12%的藍圖》中的觀點，也許過于樂觀，但是它畢竟給人們提出了一種可能。也許僅僅依靠風(fēng)電，不能完全解決這些問題，但是它可能是解決問題，主要技術(shù)選擇之一。19世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫乳_始，探索的風(fēng)力發(fā)電，研制出風(fēng)力發(fā)電機組，直到20世紀(jì)70年代的以前，只有的小型充電用風(fēng)力機，達到的實用階段。美國20世紀(jì)30年代還有許多電網(wǎng)未通達地方，獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電機組，在實現(xiàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大作用。20世紀(jì)70年代，到80年代中期，美國、英國和德國等國政府投入巨資開發(fā)單機容量1000kW以上的風(fēng)力機組，承擔(dān)課題都是著名大企業(yè)，如美國波音公司研制了2500kW和3200kW機組，風(fēng)輪直徑約為100m，塔高為80m，安裝在夏威夷的瓦胡島；英國宇航公司和德國MAN公司分別研制3000kW機組，所有這些巨型機組都未能正常運行，因其發(fā)生故障之后維修非常困難，經(jīng)費也難以維持，沒有能夠發(fā)展為商業(yè)機組，未能形成一個適應(yīng)市場需求風(fēng)電機組制造產(chǎn)業(yè)[3]。風(fēng)電繼續(xù)呈現(xiàn)地區(qū)發(fā)展多樣化特點。到2006年底，風(fēng)電發(fā)展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長態(tài)勢。風(fēng)電裝機超過100萬千瓦的國家已由2005年11個增加到13個，其中8個歐洲國家（德國、西班牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙、法國）、3個亞洲國家（印度、中國、日本）和2個美洲國家（美國、加拿大）。歐洲繼續(xù)保持其領(lǐng)先地位，亞洲正成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新生力量，預(yù)計在不遠(yuǎn)將來還有更大增長。與此同時，世界前五位風(fēng)電市場的德國、西班牙、美國、印度以及丹麥風(fēng)電裝機占世界份額呈下滑趨勢，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份額由79%降至53%。1.2.2中國風(fēng)電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國在20世紀(jì)50年代，就有過研制風(fēng)力發(fā)電機組活動。但有實用價值新型風(fēng)力機研制到60~70年代，才開始起步。70年代以后發(fā)展較快，在裝機容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上，都居于世界前列。近年來，和光伏電池配合的，風(fēng)—光互補系統(tǒng)，容量可達數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦，能完成給，農(nóng)牧民家庭，以及海島、邊防站、通訊臺站、輸油管道站點等重要設(shè)施，獨立供電任務(wù)，已逐步得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用[3]。為了扶持風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國政府采取了一系列，國家行動，并制定出臺了一系列，經(jīng)濟鼓勵政策。這些行動主要有：承風(fēng)計劃、雙加工程、國債風(fēng)電項目、風(fēng)電特許權(quán)項目[4]等。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，發(fā)展趨勢是：單機容量不斷增大，利用效率提高，世界上主流機型。已經(jīng)從2000年的500~1000kW增加到。2004年的2~3MW，2004年底5MW的風(fēng)機。進入試運行階段，并已經(jīng)開始10MW風(fēng)機的設(shè)計和研制。機組槳葉的增大，具有更好地捕捉，風(fēng)能能力，在風(fēng)力機的尤其，是葉片設(shè)計和制造過程中，廣泛采用了，新技術(shù)和新材料。既減輕重量、降低費用，又提高效率；塔架高度上升，在50m高度捕捉風(fēng)能要比30m高處多20%；變槳距調(diào)節(jié)方式迅速，取代失速功率，調(diào)節(jié)方式，變速恒頻并網(wǎng)機組，能隨風(fēng)速大小隨意旋轉(zhuǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今主流產(chǎn)品，無齒輪箱系統(tǒng)，市場份額也在迅速擴大；海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得進展。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在，建設(shè)大規(guī)模的海上風(fēng)電場項目。同等容量的裝機，海上比陸地上成本增加60%，但電量增加50%以上，并且，每向海洋前進10千米，風(fēng)力發(fā)電量增加30%左右，隨著風(fēng)電技術(shù)水平，不斷提高，經(jīng)濟性也逐漸提高。1.2.2風(fēng)力發(fā)電機組類型簡介風(fēng)能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、能量密度低、不穩(wěn)定性特征的能源。風(fēng)速變化會引起風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的變化，如果沒有必要機械或電氣控制，則由風(fēng)力機驅(qū)動交流發(fā)電機轉(zhuǎn)速也將隨之改變，因而發(fā)電機輸出電壓及頻率都，將不是恒定的。并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是，20世紀(jì)80年代興起一項新能源技術(shù)，一開始就受到世界各國的高度重視，因而迅速實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是隨著計算機、電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速?？刂品绞綇膯我欢嗍倏刂?，向全槳葉變距變速控制發(fā)展，以至于向智能型控制方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)從機組的定槳距恒速運行，發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運行，已經(jīng)基本實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力，到理想地向電網(wǎng)提供電力最終目標(biāo)。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[3]，并對它們優(yōu)缺進行了概述。普通三相同步發(fā)電系統(tǒng)在早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，中采用了普通三相同步發(fā)電機，風(fēng)力機與發(fā)電機之間通過齒輪箱連接，風(fēng)力機采用定槳距控制技術(shù)，發(fā)電機通過斷路器直接與電網(wǎng)連接，這就是所謂的“剛性連接”。同步發(fā)電機在運行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，由于風(fēng)速時大時小，隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到，同步發(fā)電機所要求的精度，因此把它用于到風(fēng)力發(fā)電機組上使用效果并不太理想。該系統(tǒng)需要調(diào)速機構(gòu)和勵磁機構(gòu)，對同步發(fā)電機頻率、電壓和功率進行有效的控制，否則可能會造成無功振蕩與失步，重載下尤為嚴(yán)重。近年來隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了“剛性連接”的問題，采用同步發(fā)電機方案，又引起了人們的重視。普通三相同步發(fā)電機型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。為了捕獲最大風(fēng)能，風(fēng)力機的功率控制。采用變槳距調(diào)節(jié)方式。發(fā)電機定子側(cè)通過功率變換器與電網(wǎng)實現(xiàn)“柔性連接”，轉(zhuǎn)子側(cè)通過勵磁控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機，勵磁電流以控制發(fā)電機定子側(cè)的輸出電壓幅值，構(gòu)成全功率變換器，變速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。圖1-1三相同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式發(fā)電機，是變速運行風(fēng)電系統(tǒng)一種，其模型如圖1-2所示，包括風(fēng)力機、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等。雙饋機的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個變頻器，連接到電網(wǎng)，機組可在較大速度范圍內(nèi)運行，與電網(wǎng)之間，實現(xiàn)能量雙向傳輸。當(dāng)發(fā)電機運行在，超同步速度時，發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子同時，向電網(wǎng)輸送能量；而當(dāng)運行在亞同步速度時，電網(wǎng)通過變頻器向轉(zhuǎn)子輸送功率。直流側(cè)電容器作用，是維持直流母線電壓恒定。與恒速風(fēng)力機不同，其功率控制方式為變槳距控制，即槳葉節(jié)距角隨著，風(fēng)速改變而改變，從而使風(fēng)力機在較大范圍內(nèi)，按最佳參數(shù)運行，以提高風(fēng)能利用率。當(dāng)風(fēng)速增大到額定值以上時，葉片與輪轂間的軸承機構(gòu)轉(zhuǎn)動，使葉片槳距角增大，攻角減小，從而減小翼型的升力，達到控制風(fēng)力機葉片扭矩和限制風(fēng)機捕獲的功率。圖1-2雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電研究熱點之一，我國已有部分地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場，開始使用這種發(fā)電系統(tǒng)[1]。相對于傳統(tǒng)恒速發(fā)電系統(tǒng)[7]，其性能優(yōu)勢體現(xiàn)在：1降低輸出功率的波動和機組的機械應(yīng)力；2不需要無功補償裝置；3可以追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率；4控制轉(zhuǎn)子電流就可以在大范圍內(nèi)控制電機轉(zhuǎn)差率、有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；5在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可提高電能質(zhì)量；6變頻器容量僅占發(fā)電機額定容量的25%左右，與其它全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。因此，目前的大型風(fēng)力發(fā)電機組一般是這種變槳距控制雙饋式風(fēng)力機，但其主要缺點在于控制方式相對復(fù)雜，機組價格昂貴。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，所以發(fā)電機的輸出端電壓、頻率隨風(fēng)速的變化而變化。要實現(xiàn)風(fēng)力機組并網(wǎng)，需要保證機組電壓的幅值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風(fēng)力機直接驅(qū)動低速，永磁同步交流電機產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動技術(shù)，在風(fēng)力機與交流發(fā)電機之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成，噪聲污染，在低風(fēng)速時具有更高效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠(yuǎn)多于普通交流同步發(fā)電機的極數(shù)，因此這種電機的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑，尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓盤形狀，為了簡化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機的體積和質(zhì)量，采用永磁電機是具有較大的優(yōu)勢[6]。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。圖1-3直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)將發(fā)電機發(fā)出，全部交流電經(jīng)整流/逆變裝置轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，因此需要采用大功率的電力電子器件。IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管，及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點，復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動功率小，優(yōu)點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1永磁同步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、可靠性高的特點。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機是低速電機，它能與風(fēng)力機很好的匹配，風(fēng)力機可以與永磁發(fā)電機直接耦合，省去了其它風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機組結(jié)構(gòu)大大簡化，減少發(fā)電機的維護工作并且降低噪聲；2該方案在一定程度上實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制，提高系統(tǒng)運行可靠性；可以獨立設(shè)計逆變器部分。其缺點就是需要兩個全功率電力變換器，但比起升速系統(tǒng)所采用升速齒輪箱結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)該還是以后風(fēng)電領(lǐng)域的一個趨勢。如Enercon公司生產(chǎn)的2MW系列型號E-82采用變速變槳距無齒輪直接驅(qū)動技術(shù)。1.3本文主要內(nèi)容及其設(shè)計思路在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，最重要部分便是風(fēng)力發(fā)電機，它已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。本課題便是在這樣一個背景下，為了更好地、更有效率地、更安全地利用風(fēng)能，使之轉(zhuǎn)化為人類可以利用的電能，設(shè)計了一種基于矩陣變換器的電能變換器裝置。本文主要內(nèi)容有第一章緒論概述了風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、及其研究意義，系統(tǒng)主要分類，以及優(yōu)缺點。第二章闡述了永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)總體設(shè)計方案。第三章做出了直驅(qū)式系統(tǒng)變換裝置的主電路拓?fù)?，分析起原理，器件選型和選型依據(jù)。第四章分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的控制策略。第五章分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案第六章作出了仿真驗證本文理論部分。結(jié)束語闡述了本文的工作以及不足。第2章永磁同步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體方案2.1引言在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的最重要部分便是風(fēng)力發(fā)電機，它已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。本課題便是在這樣一個背景下，為了更好地、更有效率地、更安全地利用風(fēng)能，使之轉(zhuǎn)化為人類可以利用的電能，設(shè)計了一種區(qū)別于，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，新型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及到空氣動力學(xué)、機械傳動、自動控制、電機學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程[2]。風(fēng)力發(fā)電不同于一般的發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)速變化的隨機性，和不確定性對風(fēng)力機及發(fā)電機控制提出了更高的要求。本文是針對直驅(qū)式梯形波永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，最大能量捕獲裝置的研究。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機，低速永磁同步發(fā)電機直接耦合，其輸出電壓、頻率都隨風(fēng)速的變化而變化，最大能量捕獲系統(tǒng)，是利用電能變化電路及相關(guān)控制技術(shù)，將風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電能經(jīng)整流、直流升壓電路、逆變之后，然后并網(wǎng)。2.2直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1總體結(jié)構(gòu)圖采用永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，將發(fā)出的電壓與頻率隨風(fēng)速變化，交流電通過三相二極管整流橋整流為直流，大電感濾波后，獲得的直流電壓比較平穩(wěn)，經(jīng)過DC-DC變換升壓電路，為逆變電路提供所需要幅值恒定，直流電壓，逆變電路逆變成與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能后并網(wǎng)。該系統(tǒng)中采用全功率變頻器，變頻器的容量顯著增加，尤其是對大容量，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。因此，此種結(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)電機組之所以引起廣泛的注意，主要是因為在整個系統(tǒng)中，可以省去風(fēng)力機與發(fā)電機之間的傳動機構(gòu)。這樣就大大降低了系統(tǒng)的成本，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬性，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。2.3直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型2.3.1永磁同步電機概述在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，有過許多控制方案，其中包括異步電機發(fā)電（定槳距型感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型可變電阻感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型雙饋發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)），同步電機發(fā)電（變槳距電勵磁同步發(fā)電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)中的應(yīng)用。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。國際先進的無齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，用低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電送入電網(wǎng)。本文主要研究對象為永磁同步發(fā)電機，將發(fā)出的三相梯形波通過不可控整流橋整流為一系列脈動較小的平頂波，通過大電感濾波之后，獲得比較平滑的直流電壓，控制簡單，可靠性高，這也是本文所以采用此類電機的主要原因。在大力開展風(fēng)能利用的今天，風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電量正在不斷增加，對風(fēng)力發(fā)電機組可靠性和效率的要求也在不斷提高，齒輪箱的存在在一定程度上限制了風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展。用永磁同步電機發(fā)電是當(dāng)今最普遍的一種發(fā)電方式之一，其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低的情況下，發(fā)電機仍然可以正常工作。因此，風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步電機發(fā)電就是針對于風(fēng)力機轉(zhuǎn)速較低的狀況而設(shè)計的方案，省去齒輪箱，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的可靠性。中間環(huán)節(jié)采用電力電子變頻裝置，解決了同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的剛性耦合的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性連接。同時，變頻器的使用，使得風(fēng)力發(fā)電機組可以在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)運行，提高系統(tǒng)的效率。2.3.2永磁同步電機原理直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機一般和風(fēng)力機直接耦合，所以其輸出特性和風(fēng)力機之間的配合問題極其重要。其基本要求是在風(fēng)力機起動后，發(fā)電機應(yīng)當(dāng)能夠快速跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)，即在低風(fēng)速范圍內(nèi)仍然能夠捕獲風(fēng)能。這就要求發(fā)電機的在起動時，其起動阻轉(zhuǎn)矩要盡量小些，使得風(fēng)力機盡早切入運轉(zhuǎn)。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機三相輸出整流后要經(jīng)過大電感濾波，則電機三相電流被強制為梯形波電流。為了降低發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動，則要求發(fā)電機的感應(yīng)電動勢最好是梯形波。電力電子技術(shù)為新型控制方案平臺的建立奠定了基礎(chǔ)，在梯形波永磁同步電機中，電子功率管的任務(wù)是通過處理并控制電能的形態(tài)和電能的流動，向用戶提供適合其負(fù)載的最佳電壓和電流，滿足負(fù)載的需要，以達到節(jié)約能源或滿足工藝要求的目的。如果功率處理器的輸出可看作是電壓源，則輸出電流以及電流與電壓間的相角取決于負(fù)載的特性。由公式（2-1）可知，為了發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)，減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，則發(fā)電機的電動勢最好是梯形波。梯形波三相感應(yīng)電動勢的理想波形如圖2-1所示。每相之間互差120電角度[16][18]。電磁功率如式（2-1）所示2-1電磁轉(zhuǎn)矩如式（2-2）所示2-2圖2-1三相定子繞組感應(yīng)電動勢波形2.3.3永磁同步電機數(shù)學(xué)模型永磁同步電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計，可獲得梯形波氣隙磁場，定子三相繞組采用整距集中繞組，由于其氣隙磁密按梯形波分布，因而感應(yīng)的電動勢也是梯形波。由參考文獻[16][18]，其等效電路如圖2-2所示。圖2-2永磁同步電機等效電路圖由于繞組電感的原因，所以在換流時電流不可能突變，故其實際的波形為近似的梯形波。永磁同步電機的電壓方程可用下式2-3表示由于定子三項繞組對稱，有，則則式（2-3）可以得出假定則式（2-3）可以得出式中、、——三相感應(yīng)電動勢，單位V；、、——三相對中性點的電壓，單位V、、——三相電流，單位A、、、——各相繞組自感，單位mH；、、、、、——為繞組之間的互感，單位mH；R——各相繞線電阻，單位根據(jù)電氣基礎(chǔ)知識可以得到：式中——發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位N·m；——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位N·m；——阻力系數(shù)，單位kg·m；——轉(zhuǎn)動慣量，單位kg·m；永磁同步發(fā)電機通過三相整流橋和大電感濾波之后，從整流級輸出測看進去，它不但擁有直流發(fā)電機的電壓波形平穩(wěn)優(yōu)點，而且也具有了壽命長、效率高的特點。從而更加適合在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。梯形波永磁同步發(fā)電機和同步發(fā)電機相比，具有電壓調(diào)整率低、電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點，和直流發(fā)電機相比，具有無機械換向裝置、換向容易、使用壽命長等優(yōu)點?？梢哉f這種新型發(fā)電機集直流發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機，優(yōu)點與一體而又摒棄了它們不足。仿真試驗證明這種直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調(diào)整率低，輸出紋波小，可以軟起動等特點。2.4直流升壓電路本文中采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機，將發(fā)出的電壓和頻率隨風(fēng)速變化的交流電，通過三相二極管整流橋整流，經(jīng)過濾波電路，得到比較平滑直流電速下，捕獲的能量不足以達到并網(wǎng)條件。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風(fēng)速條件下運行，需要使用直流變升壓電路，將電壓變換為逆變裝置所需要電壓，然后并網(wǎng)，以此達到提高系統(tǒng)效率的目的。DC-DC變換器按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩大類：不隔離的直流變換器和帶隔離的直流變換器，兩者最基本的功能都是變壓。帶隔離的直流變換器有單管的正激式（forward）和反激式（flyback），多管的推挽（push-pullconverter）、半橋（half-bridge）、全橋（full-bridge）直流變換器等。不隔離的直流變換器有4種基本的拓?fù)?，它們是降壓式（Buck）變換器、升壓式（Boost）變換器升降壓式（Buck/Boost）變換器和Cuk變換器等。2.4.1升壓式（Boost）變換器（1）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Boost變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。圖2-3給出了它的電路圖。通過控制開關(guān)管S的導(dǎo)通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。圖2-3升壓電路拓?fù)洌?）工作原理本文只研究電感電流連續(xù)情況。如圖2-6所示，在[0，T1]區(qū)間，開關(guān)管S處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流Li呈線性增長。二極管D截止，電容C向負(fù)載供電，電流流過電感。由于輸出濾波電容電壓保持不變，則電感兩端呈現(xiàn)正電壓UL=Vin－Vdc，在該電壓作用下電感中電流Li線性増長，直到T1時刻，Li達到最大值。在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感電流的增量為在[T1，T]區(qū)間，開關(guān)管S關(guān)斷，iL經(jīng)過二極管D流向輸出側(cè)，電源與電感所儲存的能量給C充電，電感上的電壓Vdc?Vin<0，故iL線性衰減，直到T時刻，iL達到最小值。在S截止期間期間，電感電流的減小量為2-9穩(wěn)態(tài)工作時，S導(dǎo)通期間電感電流的增長量等于S截止期間的減小量。由式（2-8）與式（2-9）可得2-10由式（2-10）可知，輸出電壓與輸入電壓的比值始終大于等于1，即輸出電壓高于輸入電壓。第3章直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析3.1概述在本文中，采用風(fēng)力機直接驅(qū)動低速永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生電能。直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機與交流發(fā)電機之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修費用，降低了噪聲。其發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將發(fā)電機發(fā)出的電壓與頻率隨風(fēng)速變化的三相交流電通過三相二極管整流橋整流成直流，經(jīng)過濾波電路之后，使用DC-DC升壓裝置變換為逆變電路所需要的恒定電壓，通過協(xié)調(diào)各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，達到捕獲最大風(fēng)能的目的。為了有效的利用隨時變化的風(fēng)能，本文提出一種新型的風(fēng)電控制系統(tǒng)。從理論上分析了這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主電路是由發(fā)電機和斬波電路的等效電路組成，發(fā)電機的輸出功率和直流輸出電壓的特性表達式與斬波電路的占空比以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速之間成某種函數(shù)關(guān)系，其在下文有詳細(xì)介紹。因此，把發(fā)電機的輸出功率與斬波電路的占空比區(qū)分開來，理論上推導(dǎo)出通過控制斬波電路的占空比來獲得最大功率。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)是由梯形波永磁同步發(fā)電機、三相二極管整流電路、斬波電路、逆變電路組成。為了實現(xiàn)高效和簡化功率轉(zhuǎn)換電路，采用永磁體勵磁三相同步發(fā)電機，效率較高，產(chǎn)生的交流功率通過三相二極管整流成直流功率。二極管整流具有功率因數(shù)高，不需要額外的控制電路，增強了可靠性。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉(zhuǎn)換成交流電能后并網(wǎng)。3.2三相二極管整流電路在眾多的電力電子變換電路中，采用三相二極管全橋整流電路用于AC-DC-AC變換中，其優(yōu)點在于：（1）結(jié)構(gòu)簡單，采用六個二極管組成不可控整流橋，不需要額外的控制電路。（2）價格低廉，可靠性高。其缺點在于電流波形不能夠控制，且電力電子器件會向交流側(cè)注入諧波電流。永磁同步發(fā)電機的輸出直接連接到三相二極管整流橋，如圖3-1所示。假設(shè)電流處于連續(xù)狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，發(fā)電機發(fā)出的三相交流功率通過整流橋整流為直流功率，即3-1式中、分別為直流側(cè)端電壓和電流，、、，Ua、Ub、Uc分別為發(fā)電機的各相電壓和電流。圖3-2永磁同步電機a相等效圖在整流期間，由于電感的存在，將會影響整流電路的平均輸出電壓。為了計算整流后的平均輸出電壓，假設(shè)電機轉(zhuǎn)速恒定，且整流橋的輸出電流id恒定，等于輸出電流的平均值iL，為了簡化模型，初始條件下，忽略電感電阻的影響。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下：3-2由的假設(shè)條件可以得：3-3把式（3-3代入（3-2）可得：3-4在換向期間，假設(shè)三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為ΔU，通過下式計算可得：3-5把式（3-4）代入（3-5）可得3-6式中E為感應(yīng)電動勢，單位V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機相電流ia，即3-7假設(shè)在t=0時刻，電流的初始值等于輸出電流平均值iL，則3-8因此，三相二極管整流橋輸出直流平均電壓為3-93.3（BOOST）升壓電路3.3.1Boost控制結(jié)構(gòu)圖為了最大限度地利用風(fēng)能，使直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)，即使系統(tǒng)在較低的風(fēng)速時也可以工作，如果輸出電壓較低，是不可能進行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入DC-DC升壓電路。由于永磁同步發(fā)電機輸出電壓的有效值近似正比于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于直流電壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機輸出電流增大，制動力矩增加，電機減速，輸出電壓降低；相反，電機加速，輸出電壓升高，最終使得風(fēng)輪機工作于給定的葉尖速比。因而發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過不可控整流后，直流電壓值和轉(zhuǎn)速也近似成正比，因此當(dāng)風(fēng)速較低時，直流電壓會很低；然而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的，這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程，進而無法將功率饋入電網(wǎng)。同時如果沒有DC-DC升壓電路，也會使系統(tǒng)消耗較高的無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動。所以需要引入DC-DC升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。Boost電路的基本結(jié)構(gòu)和控制示意圖如圖3-3所示。直流變換器的控制電路是由兩部分組成：從三相二極管整流橋整流后變化的直流電壓；另一個是逆變電路前的恒定直流電壓。通過改變DC-DC變換電路的占空比，來控制發(fā)電機—整流橋部分的端電壓。該控制的目的是為了控制永磁同步電機的速度，使其跟隨風(fēng)速的變化，從風(fēng)中捕獲最大風(fēng)能，從而跟隨最佳功率曲線。圖3-3Boost電路控制示意圖根據(jù)第二章可知，式（2-8）中給出了直流變換電路的狀態(tài)方程，由于輸入功率等于輸出功率：Pi=Po，由不可控整流器輸出電壓公式可以得到3-10產(chǎn)生PWM（PulseWideModulate）脈沖的原理如圖3-4所示。在PWM控制方式中，開關(guān)控制信號由比較器產(chǎn)生。如圖3-4所示，將調(diào)制信號u2與載波信號u1進行比較得到開關(guān)控制信號。控制電壓則由誤差放大器得到，由此可見，通過控制開關(guān)占空比即可控制輸出電壓。圖3-4PWM產(chǎn)生原理第4章直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略4.1最大功率追蹤法控制方案4.1.1控制方案概述在許多雜志和論文中，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤算法已被廣泛的研究。該方法在光伏發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的研究。盡管這種算法是建立在不同功率轉(zhuǎn)換硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，但按其基本原理可以分為以下三種：葉尖速比控制、功率信號反饋控制、爬山搜索法。葉尖速比控制：葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最佳特性曲線上，這樣在任何風(fēng)速下，都能夠獲得最大功率。如圖3-5所示，在該系統(tǒng)中，需要測量風(fēng)速與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，作為控制系統(tǒng)的輸入信號，通過計算或?qū)嶒灚@得最佳葉尖速比的特性曲線。該控制器的結(jié)構(gòu)比較簡單，要求測量的風(fēng)速需要與作用在槳葉上的風(fēng)速有良好的關(guān)聯(lián)性。圖4-1（2）功率信號反饋控制功率信號反饋控制需要采用查表法或者需要預(yù)先知道轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的輸出功率之間關(guān)系[43][44]。功率信號反饋控制的原理如圖3-6所示。圖4-2假設(shè)原來在風(fēng)速V1下風(fēng)力機穩(wěn)定運行在最佳功率曲線P1上，對應(yīng)著該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速1ω，此時發(fā)電機輸出的功率等于風(fēng)力機捕獲的機械功率乘以系統(tǒng)效率。如果某一時刻風(fēng)速突然升高到V2，風(fēng)力機獲得的功率就會由點P1躍變至P2由于大的機械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速仍然運行ω1點，此時風(fēng)力機捕獲的機械功率大于發(fā)電機輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高。在這個變化過程中，風(fēng)力機和發(fā)電機將分別沿著風(fēng)速V2下的功率曲線軌跡運行。當(dāng)運行至發(fā)電機功率曲線和最佳功率曲線的交點時，功率將重新達到平衡。此時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對應(yīng)于該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，發(fā)電機輸出的最佳功率為P0。同理，也可以分析風(fēng)速從高到低變化，最大風(fēng)能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程。其控制的基本結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3功率反饋控制（3）爬山搜索法爬山搜索法的基本原理如圖4-4所示。該方法無需測量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)力機的功率特性曲線，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最佳轉(zhuǎn)速點。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計算當(dāng)前風(fēng)力機的功率P0，并和上個控制周期的風(fēng)力機功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值dω反號，否則保持其符號不變。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說，當(dāng)風(fēng)機的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減小）的方向不變，當(dāng)風(fēng)力機的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動dω反號。圖4-4爬山搜索法4.2并網(wǎng)運行控制策略本節(jié)給出了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行逆變控制策略，鑒于時間的原因，并沒有對該系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行仿真，以下給出了其基本控制方案。其基本示意圖如圖4-5所示。逆變器為正弦脈寬調(diào)制（SPWM）整流器，提供固定頻率、可變電壓控制。采用絕緣門極雙極性晶體管（IGBT），該器件是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管；因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達10~40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)?。圖4-5逆變電路示意圖由于變速風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸送給電網(wǎng)時會產(chǎn)生電力諧波使功率因素惡化。因此在變速風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間需要一個電力電子接口，該接口在驟變的風(fēng)況條件下具有快速的動態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。對電力電子接口的具體要求是：（1）在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；（2）具有單位功率因數(shù)或可控制的功率因數(shù)；（3）使發(fā)電機輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；（4）向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率；（5）系統(tǒng)控制簡便；發(fā)電機并網(wǎng)時需要滿足一定的條件，即發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和相位分別一致，風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)也不例外。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身產(chǎn)生的沖擊。在理想情況下，滿足這些條發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電流為零，即沒有功率交換，發(fā)電機實現(xiàn)空載并網(wǎng)。如果逆變器的輸出功率不能與風(fēng)力機捕獲的能量保持一致，則功率差必然表現(xiàn)在該裝置的中間直流變換環(huán)節(jié)。即如果風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能大于逆變器的輸出功率，則直流環(huán)節(jié)電壓增加，反之則減小。所以中間直流環(huán)節(jié)電壓的值可以反映該裝置的輸出、輸入功率的平衡狀態(tài)。對逆變器來說，中間環(huán)節(jié)的直流電壓過高或過低都是有害的，其變動范圍應(yīng)是有限制的。這就需要控制逆變器的輸出功率，以及對直流變換電路的控制，使風(fēng)力機捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個動態(tài)平衡?？紤]到需要并入的電網(wǎng)電壓已知，逆變器輸出電壓的頻率、幅值和相位跟蹤電網(wǎng)電壓（當(dāng)考慮由于電感的原因，逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在一定的相位關(guān)系，可以通過鎖相環(huán)測出它們之間的相角）。無論何種情況，對于已知的電網(wǎng)電壓，都可以得到需要逆變器實現(xiàn)的每相輸出電壓的波形。為了便于分析和敘述，認(rèn)為要求逆變器輸出各相電壓跟蹤電網(wǎng)電壓波形。在并網(wǎng)前，當(dāng)風(fēng)速和電機速度不斷變化時，此時逆變器并不以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)，而是希望逆變器輸出各相電壓跟蹤電網(wǎng)各相電壓為控制目標(biāo)進行工作。用電壓傳感器檢測電網(wǎng)和發(fā)電機電壓的頻率、幅值和相位，采用閉環(huán)PI控制，當(dāng)檢測到電壓相位完全一致時，滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)。逆變控制示意圖如圖4-6所示。圖4-6逆變控制示意圖電網(wǎng)的總負(fù)載中，除了需要有功功率，有的負(fù)載還需要無功功率，如感應(yīng)電動機和變壓器等都需要感性的無功功率。整個電網(wǎng)要是無功功率補償?shù)貌粔?，就會?dǎo)致電網(wǎng)的電壓下降，這對用戶是很不利的。因此同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)后，不僅能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而且能向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這是它的一個很大的優(yōu)點。4.3雙環(huán)控制早些年,PWM逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定,這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定,不能保證輸出電壓的波形質(zhì)量,特別是在非線性負(fù)載條件下輸出電壓諧波含量大,波形失真嚴(yán)重;另一方面,電壓有效值外環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)過程十分緩慢,在突加、突減負(fù)載時輸出波形波動大,恢復(fù)時間一般需要幾個甚至幾十個基波周期。瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形,使得供電質(zhì)量大大提高。其中,應(yīng)用較多的有:電壓單環(huán)PID控制,電壓電流雙環(huán)控制,滯環(huán)控制,重復(fù)控制,滑模變結(jié)構(gòu)控制等。目前,電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一,雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬,使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快,非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強,輸出電壓的諧波含量減小。基于ＳＰＷＭ的電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖4-7所示．外環(huán)為瞬時電壓環(huán)控制。輸出電壓與參考正弦基準(zhǔn)比較．誤差信號經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電感電流瞬時值與電流基準(zhǔn)比較產(chǎn)生的誤差信號與三角波載波比較后產(chǎn)生ＳＰＷＭ控制信號。由于采用電感電流作為內(nèi)環(huán)．因此這種控制方法有輸出限流的功能．即使在輸出短路的情況下．輸出電流也不會很大，而是被限定在設(shè)定的電流值。這增加了系統(tǒng)的可靠性。對逆變器過載有較好的保護作用。4-7電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖4.4DSP簡述與選型根據(jù)前面中逆變裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，逆變裝置的控制系統(tǒng)需采用高速微處理來構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。本文DSP選取的是TMS320F28335。TMS320F28335簡介：TMS320F28335型數(shù)字信號處理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50%，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。引腳定義如圖4-8引腳定義TMS320F28335接線圖4-9如下：4-9接線圖第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1基于MATLAB/Simulink環(huán)境下的仿真研究5.1.1MATLAB/Simulink概述MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。Simulink實際是一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，它是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，支持線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，或它們的混合系統(tǒng)它是強大的系統(tǒng)仿真工具。除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個過程，可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模。在建模上，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面（GUI），可以拖曳模塊的圖標(biāo)建模。Simulink中的模型分析工具包括線性化工具和調(diào)整工具，這可以從MATLAB命令行獲取。MATLAB及其工具箱內(nèi)還有許多其他的適合用于不同工程領(lǐng)域的分析工具，由于MATLAB和Simulink是集成在一起的，因此任何時候用戶都可以在這兩個環(huán)境中仿真、分析和修改模型。在Simulink軟件包中所有模型都是分級的，可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型?？梢栽谧罡邔用嫔喜榭匆粋€系統(tǒng)，然后通過雙擊系統(tǒng)中的各個模塊進入到系統(tǒng)的低一級層面以查看模型的更多的細(xì)節(jié)。這提供了一個了解模型時如何組成以及它的各個部分時如何相互聯(lián)系的方法。針對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進行了設(shè)計，并對所設(shè)計的控制策略及方案在Matlab軟件下應(yīng)用Simulink來完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過仿真，驗證了設(shè)計的電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。Simulink系統(tǒng)建模的主要特性是：（1）框圖式建模。Simulink提供了一個圖形化的建模環(huán)境，同過鼠標(biāo)單擊和拖拉操作進行框圖式建模；（2）支持非線性；（3）支持混合系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中包含連續(xù)采樣時間和離散采樣時間；（4）MATLAB與Simulink集成在一起，因此，無論何時再任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶模型。本文在前面的章節(jié)中己經(jīng)分析了各組成部分的數(shù)學(xué)模型和運行特性，按照前面所述的控制策略為基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容就是基礎(chǔ)上利用MATLAB/Simulink仿真平臺構(gòu)建直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，進行系統(tǒng)的仿真研究，并驗證該系統(tǒng)控制方法的可行性。5.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖5-1為系統(tǒng)實驗平臺原理框圖。系統(tǒng)硬件電路包括：AC-DC-AC主電路、檢測電路、驅(qū)動電路、TMS320F2812、EPM3128ATC100、吸收保護電路和負(fù)載。系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用基于DSP+CPLD的雙芯片控制模式。主芯片DSP采用TI公司的TMS320F2812，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法，完成PWM信號輸出功能、系統(tǒng)故障保護信號輸出功能。CPLD選用Altera公司的EPM3128ATC100，對PWM信號進行邏輯編程，實現(xiàn)死區(qū)控制。圖5-1系統(tǒng)平臺原理圖5.3系統(tǒng)軟件框圖AC-DC-AC系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)逆變級SPWM控制策略，其軟件設(shè)計包括主程序、捕捉中斷子程序、通用定時器1周期中斷子程序和輸出程序。程序的編寫和編譯是在CCS3.3編譯環(huán)境下通過C語言實現(xiàn)的。主程序的主要功能包括：系統(tǒng)初始化、變量初始化、事件管理器A/B（EVA/B初始化、GPIO初始化、中斷初始化和調(diào)用輸出函數(shù)。其中，系統(tǒng)初始化完成對系統(tǒng)時鐘頻率、看門狗等設(shè)置。變量初始化完成程序中各個變量的初始值賦值、逆變級輸出電壓頻率設(shè)置。EVA/B初始化完成事件管理器內(nèi)部各個寄存器設(shè)置。主程序流程如圖5-2所示:圖5-2程序結(jié)構(gòu)框圖第6章仿真驗證6.1仿真總體模型本文在前面的章節(jié)中己經(jīng)分析了各組成部分的數(shù)學(xué)模型和運行特性，按照前前面所述的控制策略為基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容就是此基礎(chǔ)上利用MATLAB/Simulink仿真平臺勾踐直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，進行系統(tǒng)的仿真研究，并且驗證該系統(tǒng)控制方法的可行性。圖6-1為系統(tǒng)總的仿真框圖。其中基本模塊組成部分為：風(fēng)速的模擬、風(fēng)力機模型、永磁同步發(fā)電機模型、三相二極管整流橋、系統(tǒng)控制模塊、SPWM逆變器模塊和并網(wǎng)裝置。圖6-1系統(tǒng)總的仿真框圖

Simulink是Matlab軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對系統(tǒng)進行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序為為:從模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進行動態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對輸出結(jié)果進行分析和比較。Simulink模塊庫提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號源模塊庫(Source),接收模塊庫（Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（SignalRouting），信號屬性模塊庫（SignalAttributes），數(shù)學(xué)運算模塊庫（MathOperations），邏輯和位操作庫（LogicandBitOperations）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。Simulink為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI）。對于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴展了它的功能。6.1.1仿真分析根據(jù)風(fēng)力機功率特性曲線，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立其仿真模型。變槳矩風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的起動性能，風(fēng)力發(fā)電機組捕捉風(fēng)能仿真圖為6-2圖6-2發(fā)電機組捕捉風(fēng)能根據(jù)波形可以知道，風(fēng)力發(fā)電機組捕捉的風(fēng)能效率接近理論。直流測掛上大電容具有平波、儲能作用，直流測電容電壓波形為為圖6-3圖6-3直流側(cè)電容電壓波形圖由波形可以得知紫色波形代表電壓，電壓在一定的程度上減少了脈動。SPWM逆變輸出電壓電流為如圖6-4，頻率與電壓都實現(xiàn)了較好的調(diào)節(jié)，并且成功了實現(xiàn)了并網(wǎng)。圖6-4輸出三相電壓電流根據(jù)仿真波形6-5所示，PQ分別代表有功無功功率，可以看出，有功功率總是在0.95與1之間波動，保證的功率因數(shù)大于0.93。圖6-5有功無功功率結(jié)束語針對直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，分析了風(fēng)力機運行特性及其最佳風(fēng)能利用原理，實現(xiàn)了電壓頻率控制，同時控制逆變電路將轉(zhuǎn)換過來的電能輸送到電網(wǎng)的功率，實現(xiàn)系統(tǒng)變壓變頻控制?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，效率較高。對本文所做的工作得出如下結(jié)論：當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電變換器裝置采取最經(jīng)典的是AC-AD-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流器一般采用不可控電力二極管，逆變級采用MOSFET或者IGBT全控器件，逆變器控制算法采用SPWM調(diào)制策略。該系統(tǒng)能夠良好的實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)。本文的不足之處在于電能諧波過多，質(zhì)量較低，盡管可采用理論分析和計算機仿真對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進行研究，然而由于仿真模型及其參數(shù)的理想性和控制算法的試用性，仿真研究難以替代實際模擬系統(tǒng)的試驗研究。同時系統(tǒng)在仿真過程中都是建立在理想的情況下，沒有對一些突發(fā)事件給予足夠的重視，所以筆者希望在以后的時間里能夠根據(jù)本文所提出的基本方法，建立實驗平臺，優(yōu)化控制方法，精煉設(shè)計方案。參考文獻[1]李俊峰．風(fēng)力12在中國．北京：機械工業(yè)出版社，2005．[2]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2005.5．[3]王承煦，張源．風(fēng)力發(fā)電．北京：中國電力出版社，2002．[4]能源領(lǐng)域組．能源領(lǐng)域．科技發(fā)展“十五規(guī)劃”和2015年遠(yuǎn)景研究．1999．[5]倪受元.風(fēng)力機的原理及氣動力特性．太陽能．2001，1:12-16．[6]ChenZ,SpoonerE．Gridinterfaceoptionsforvariable-speedpermanent-magnetgenerator,IEEEProceedingsElectronicsPowerApplications,1998,145(4):273-283.[7]鄧禹，鄒旭東，康勇．變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)風(fēng)能捕獲控制．通信電源技術(shù)，2005，22（3）:21-24．[8]湯蘊璆，史乃，陳子痛．電機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，1999．[9]陳益廣，王曉遠(yuǎn).摩托車用直流無刷起動磁電機及驅(qū)動電路設(shè)計．微電機，2002，35(5):17-19．[10]阮新波．直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2000．[11]KazachkovYA,FeltesJW,ZavadilR.Modelingwindfarmsforpowersystemstabilitystudies.PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,2003,3:13-17.[12]潘文霞，陳允平，沈祖治.風(fēng)電系統(tǒng)及其電壓特性研究.河海大學(xué)學(xué)報，2001，29(1):88-92．[13]AnandavelP,RajambalK,ChellamuthuC.Poweroptimizationinagrid-connectedwindenergyconversionsystem.PowerElectronicsandDrivesSystems,2005,2(28):1617-1621.[14]UllahNR,ThiringerT.Variablespeedwindturbinesforpowersystemstabilityenhancement.IEEETransactiononEnergyConversion.2007,22(1):52-60.[15]MuljadiE,ButterfieldCP.Pitch-controlledvariable-speedwindturbinegeneration,IEEETransactiononIndustryApplication,2001,37(1):240-246.[16]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2005.4．[17]李華德.電力拖動控制系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2006.12．[18]Lee,Hyung-Woo.AdvancedcontrolforpowerdensitymaximizationofthebrushlessDCgenerator.TexasA&MUniversity.2003.[19]王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2002．[20]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置，北京：中國鐵道出版社，1999．[21]YungtaekJ,JovanovicMM.Anewsoft-switching,high-power-factorboostconverterwithIGBTs.IEEEtransactionsonPowerElectronics,2002,17(4):469-476.[22]張一工.現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用，北京：科學(xué)出版社，1999．[23]陳志輝，姜長生，嚴(yán)仰光.無刷直流發(fā)電機軟起動技術(shù)的研究，電工技術(shù)學(xué)報，2001，16（1）:7-10．[24]PinheiroJR,BarbiI.Thethree-levelZVCPWMconverter-Anewconceptinhigh-voltageDC-to-DCconversion.Proceedingsofthe1992InternationalConference,1992,1:173-178.[25]姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)．有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)·原理·控制．北京：科學(xué)出版社，2005．[26]爾桂花，竇曰軒．運動控制系統(tǒng)．北京：清華大學(xué)出版社，2002．