直驱式风力发电系统及其控制策略研究

毕业设计说明书论文学院电气工程及自动化学院系专业电气工程及自动化题目直驱式风力发电系统及其控制策略研究毕业设计（论文）中文摘要直驱式风力发电系统及其控制策略研究摘要风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，已受到人们的广泛关注。目前尤以直驱式风力发电系统最受欢迎，较之传统的恒速恒频风力发电系统它有许多优点，如节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好。本文基于直驱式风力发电系统，重点研究直驱式风力发电系统的最大风能跟踪控制。在具体了解风力机的输出特性、最大风能追踪原理、直驱式永磁同步发电机模型和直流升压电路后，重点对直驱式风力发电系统的控制策略进行研究，在此基础上，本系统采用MATLAB软件，对风速和风力机进行模拟仿真，以通过仿真研究证实控制算法的合理性。关键词直驱式风力发电系统控制策略MATLAB毕业设计（论文）外文摘要TITLERESEARCHOFDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMANDITSCONTROLSTRATEGYABSTRACTTHEWINDENERGYASACLEAN,RENEWABLEGREENENERGY，HASRECEIVEDCONSIDERABLEATTENTIONESPECIALLYTHEDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMISTHEMOSTPOPULARSYSTEMBECAUSECOMPAREDTOTRADITIONALCONSTANTSPEEDCONSTANTFREQUENCYWINDPOWERGENERATIONSYSTEMITHASMANYADVANTAGES，FOREXAMPLEITSAVESINVESTMENT，REDUCESTHETRANSMISSIONCHAINLOSSANDDOWNTIME,ANDHASLOWMAINTENANCECOSTANDGOODRELIABILITYTHISSUBJECTISBASEDONDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMANDFOCUSONDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMWITHTHELARGESTWINDPOWERTRACKINGCONTROLAFTERUNDERSTANDINGTHEOUTPUTCHARACTERISTICSOFWINDTURBINE,THELARGESTWINDPOWERTRACKINGCONTROLTHEMODELOFDIRECTDRIVEPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSGENERATORANDTHEDCSTEPUPCIRCUIT，THROUGHMATLABSIMULATIONSOFTWAREWECANSTUDYDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMSIMULATIONANDCONTROLSTRATEGIES，THROUGHSIMULATIONSTUDIESWECONFIRMTHERATIONALITYOFCONTROLALGORITHMSKEYWORDSDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMCONTROLSTRATEGYMATLAB目次1引言111国内外风力发电系统的发展情况112直驱式风力发电系统发展状况213本课题研究的意义和内容42直驱式永磁同步风力发电系统621概述622风力机的输出特性723最大风能追踪原理824直驱式永磁同步发电机模型1025直流升压电路133直驱式风力发电系统控制策略1731最大风能利用电路的实现1732变频器的设计1833最大风能利用电路的实现1834新型最大功率跟踪算法控制方案194基于MATLAB简介环境下的仿真研究2341MATLAB简介2342仿真结果与分析24结论30参考文献31致谢331引言11国内外风力发电系统的发展情况111国外风力发电系统的发展情况目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24；风力发电量占全球电量的1，部分国家及地区已达20甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家，前十名合计517509MW，约占世界总装机容量的8772。2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为487。2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（GREENPEACEINTERNATIONAL）发表了一份标题为“风力12（WINDFORCE12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到17亿千瓦12。112国内风力发电系统的发展情况我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿KW，实际可开发量为253亿KW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量503万KW。与2004年当年新增装机198万KW相比，2005年当年新增装机增长率为25410。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量1266万KW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机764万KW相比，2005年累计装机增长率为656。2005年风电上网电量约153亿KWH5。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1525MW、25MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1525MW、25MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；15MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；15MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究8。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。12直驱式风力发电系统发展状况121直驱式风力发电系统目前风力发电的成本已接近于火力发电的成本，且对环境几乎没有污染，因此风力发电受到广泛重视3。变速恒频风力发电技术能够实现最大功率追踪，提高系统的效率，成为目前风力发电的主流。双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统是2种典型的变速恒频风力发电系统1。直驱式风力发电系统，包括永磁同步发电机和全功率背靠背双脉宽调制PULSEWIDTHMODULATION，PWM变流器，无齿轮箱。永磁同步发电机通过全功率变流器直接与电网连接，通常极对数较多，低转速，大转矩，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状；由于省去了齿轮箱，从而简化了传动链，提高了系统效率，降低了机械噪声，减小了维修量，提高了机组的寿命和运行可靠性；发电机通过变流器与电网隔离，因此其应对电网故障的能力更强，与双馈风力发电系统风电系统相比，更容易实现低电压穿越功能6。但是永磁材料目前的成本仍然较高；变流器容量较大，损耗较大，变流器的成本较高。理论上永磁体在高温时存在失磁的风险，但是近年来随着永磁材料性能的不断提高、价格的下降，永磁同步发电机全功率变流器已经成为一种很有吸引力和应用前景的方案2。122直驱式风力发电系统控制策略国内外研究以控制电压为目标的控制方案目前比较成熟。通过控制直流电压来控制发电机的转速，进而获得最大风能。因为发电机的转速，即风轮的转速，是由原动力的转矩和发电机的电磁转矩决定，只要根据原动力的转矩控制发电机的电磁转矩就可以控制转速。控制发电机整流后的电压和电流可以改变发电机的输出电流，即改变电磁转矩。当直驱式风力发电系统应用的环境和选用的发电机确定后，风场和发电机的特性是确定的，所以可以根据已知的风场特性和选用的发电机特性，得到功率、直流电压和直流电流和转速对应的最佳工作曲线。运行于该曲线上的直驱式风力发电系统可以最大限度的利用风能。不难发现风场特性决定转速对应的功率情况，因而以直流电压为控制信号，通过调节逆变器来控制直流电压，从而控制转速，获得最优叶尖速比。这便是比较常用的控制方案的基本思想。另外一种方案是以控制电流为目标的控制方案，它是以直流电压这一间接量为控制目标和反馈信号，而我们希望获得最大风能的同时获得最好的并网电压和电流的波形。如果可以根据最大功率曲线确定逆变器输出的电网电压和电流曲线调节逆变器的输出电压、电流，跟踪这一理想电压电流曲线，不但能使发电机最大限度的获得风能，同时还可以抑制电网电压的波动，减少注入电网电流谐波。考虑到需要并入的电网电压已知，逆变器输出电压的频率、幅值和相位跟踪电网电压，无论何种情况，对于已知的电网电压，都可以得到需要逆变器实现的输出电压每相的波形。为了便于分析和叙述，认为要求逆变器输出的各相电压跟踪电网电压波形。在并网前，当风速和电机的转速不断变化时，此时的逆变器并不以获得最大风能为目标，而是希望逆变器输出各相电压跟踪电网各相电压为控制目标进行工作。用电压传感器检测电网和发电机的电压频率、幅值和相序、采用闭环PI控制，电网电压采样信号和逆变器输出电压信号比较后产生控制波，再与三角载波信号比较、产生各桥臂的PWM控制信号来控制各桥臂导通和关断。当检测到两端电压完全一致时，满足并网条件后并网。并网后，设定逆变器输出电压跟踪电网电压，此时逆变器应该以获得最大风能为控制目标进行工作。发电系统馈入电网的有功功率风力机原动力的最大功率减去机械损耗和电机损耗。因而我们不需要过多计算和考虑直流母线上的电压和电流情况，只需要控制逆变器控制电网电流的频率，幅值和相位，就能实现对发电机的转速控制，保持最优叶尖速比，从而获得最大风能。逆变器输出电流的频率、幅值和相序控制类似于逆变器输出电压控制，不过首先要确定需要逆变器输出的电流波形。这样就可以得到满足最大功率获得和功率因数要求的逆变器输出电流的波形，实现对电流的控制。另外，实现逆变器输出电流波形是根据转速对应的最大功率和电网电压波形得到的，而不同转速对应的有功功率完全是由风场决定，如果可以使逆变器输出电流波形跟踪上面提到得到的电流波形，那么逆变器的输出电压也很好的跟踪了电网电压。在高风速下，逆变器已经达到额定功率，靠调节桨距降低功率因数，减少风中捕获的机械能量。同时闭环控制保持逆变器输出电流不变，从而保持转速不变和额定最大输出功率。而最大功率追踪的具体实现方案有1）转速控制。根据风速控制发电机的转速，使二者符合最佳叶尖速比的关系。这是最易理解的方案，但在实际应用中，叶轮的面积较大，在整个叶轮面积内，并不是每一位置的风速都是一致的，风速检测的误差较大，实时性也不能保证，用来计算转速指令会有很大误差，所以通常不采用这种方案。2）功率控制。控制发电机从轴上吸收的机械功率与转速符合最佳功率曲线的关系。由于直接测量或计算发电机从轴上吸收的机械功率比较困难，所以通常以并网的有功功率作为控制对象，发电机轴上吸收的机械功率需要克服发电机自身的损耗、双PWM变换器的损耗才能成为并网的有功功率，而这些损耗不可忽略，又很难准确计及，故这种功率给定会有较大误差。3）转矩控制。控制发电机从轴上吸收的机械转矩与转速符合最佳转矩曲线的关系。在电机控制中，无论控制转速还是控制功率，最终均是通过控制电磁转矩或表征电磁转矩的有功电流来实现的。通过转矩控制来实现最大功率追踪更为直接简便。将最佳转矩减去空载转矩，作为电磁转矩的令（11）TOPTMECHT_式中T0为空载转矩，是铁耗、摩擦损耗及杂散损耗对应的转矩11。上述这3种方案原理是等效的，但实现难易程度和准确度不同。转矩控制实现最大功率追踪的关键是如何快速准确地按式1控制发电机的电磁转矩。对于永磁同步发电机来说，采用矢量控制可以实现对电磁转矩的有效控制。13本课题研究的意义和内容能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，已受到人们的广泛关注。目前尤以变速恒频风力发电系统最受欢迎，因为该风力发电系统较之传统的恒速恒频风力发电系统有许多优点，如低速时它能够根据风速的变化，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，使功率输出更加平稳。文献2提到了多种实现变速恒频的发电方式，但风轮直接驱动低速同步发电机即直驱式风力机受到广泛欢迎。直驱式风力机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好等优点。同时，由于永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了易出故障的集电环和电刷装置，成为无刷电机。因此，该电机结构简单，运行可靠，价格便宜，非常适合解决我国偏远地区农牧民的用电需求。本文的研究内容主要包括以下几点（1）本文通过对直驱式风力发电系统的分析和研究，给出风力机、永磁同步发电机、DCDC升压电路等直驱式风力发电系统结构；（2）根据直驱式风力发电系统的特点，分析其运行状态，确定其控制策略；（3）在风速变化的情况下，为了使系统能够最大限度地捕获风能，提出最大风能捕获控制方法，该方法是通过升压电路的占空比，控制发电机电流，从而控制永磁同步发电机的电磁转矩转速特性，以控制风力机的机械转矩转速特性，使风力机在不同风速时都能维持最佳叶尖速比，自动跟踪最大功率点，捕获最大风能，该控制策略具有简便易行的特点；（4）在MATLAB环境下建立直驱式风力发电系统控制模型，并给出仿真结果，分析并验证最大功率控制策略的可行性。2直驱式永磁同步风力发电系统21概述直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆盘形状，为了简化系统的控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电是具有较大的优势。风电系统将发电机发出的全部交流电经整流/逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。该风力发电系统具有以下优点（1）永磁同步发电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。该系统中的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以和永磁发电机直接耦合，省去了其它风力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声；（2）该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性；可以独立设计逆变器部分。直驱式并网运行风力发电系统采用了低速多极交流永磁发电机，因此在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，成为无齿轮直接驱动系统。其优点在于由于不采用齿轮箱，机组水平轴向长度大大减小，电能生产的机械传动链被缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题，使机组的工作寿命更加有保障，降低维修费用，也更适合于环境保护的要求。直驱式永磁同步风力发电机控制系统如图21所示。图21直驱式永磁同步风力发电机控制系统采用永磁同步风力发电机，将发出的电压与频率随风速变化的交流电通过三相二极管整流桥整流为直流，大电感滤波后，获得的直流电压比较平稳，经过DCDC变换升压电路，为逆变电路提供所需要幅值恒定的直流电压，逆变电路逆变成与电网频率相同的恒频电能后并网。该系统中采用全功率变频器，变频器的容量显著增加，尤其是对大容量的风力发电系统。因此，此种结构的风力发电机组之所以引起广泛的注意，主要是因为在整个系统中，可以省去风力机与发电机之间的传动机构。这样就大大降低了系统的成本，控制结构比较简单，提高了系统结构的硬性，从而增加了系统的可靠性。22风力机的输出特性设风力机叶片半径为R，空气密度为，风速为V，则风力机轴上输出的机械功率为（21）32,50RCPPMECH式中为风能利用系数，反映风力机吸收风能的效率。风速确定时，风力机,PC吸收的风能只与有关。桨叶节距角一定时，是叶尖速比的函数，,P,PC如图22所示，此时存在一个最佳叶尖速比，对应最大的风能利用系数。OPTMAXPC叶尖速比是叶片尖端的线速度与风速之比（22）VRWT/式中为风力机的转速。WT图22风能利用系数与叶尖速比的关系当风力机运行于最佳叶尖速比的状态时，风速与风力机的转速成正比（23）OPTWTRV/此时，风力机轴上输出的机械功率为（24）332MAX50WTOPOPTWPOPTMECHKRCP将式4的2边同时除以风力机的转速，可得风力机轴上输出的机械转矩（25）2WTOPWTMECHOPTECHT式24、25给出的风力机输出的机械功率、机械转矩与转速之间的关系称为最佳功率曲线和最佳转矩曲线。当风力发电系统稳定运行于某一风速下的最大功率点处，风速与叶尖线速度之间满足式23，即风力机处于最佳叶尖速比状态，此时风力机的输出功率与转速之间满足式24所给出的最佳功率曲线关系，风力机的输出转矩与转速之间满足式25所给出的最佳转矩曲线关系。所以，从这个角度上讲，最佳功率曲线、最佳转矩曲线与最佳叶尖速比是统一的。不同风速下，风力机输出的机械功率、机械转矩、最佳功率和最佳转矩曲线如图23所示。图23A为风力机的功率转速特性曲线；图23B为风力机的转矩转速特性曲线，图23B中的转矩曲线为图23A中相应的功率曲线除以转速得到的，所以二者所表示的运行状态是一致的。23最大风能追踪原理作为变速风力发电机组，其主要的目标就是最大限度将风能转变为电能，以提高机组的运行效率。其基本分为两部分低于额定风速时候，跟踪最佳叶尖速比，从风中捕获最大风能；高于额定风速，跟踪最大功率曲线，保持输出功率稳定。因此变速风力发电机组分为三个不同的层次，就是保证系统可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。A功率转速关系曲线B转矩转速关系曲线图23风力机的输出特性曲线（1）恒定区PC当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速，风力发电机组开始进入发电运行状态，通过对发电机的转速的控制，不断上升，直至PC，进入恒定区，这时机组在最佳状态下运行。这段区域主要是通过控MAXPP制发电机的电磁转矩，使转速随着风速的变化而变化，维持风速与转速之比恒定，使，实现最大风能捕获。但是由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风OPT速之间的直接对应关系。（2）转速恒定区随着风速的增大，机组的转速也在增大，最终达到机组允许的最大转速。只要功率低于允许的最大功率，转速便保持这一最大转速不变，随着风速的增大，值PC减小，机组的功率仍然继续增大，控制系统按转速控制方式工作。（3）功率恒定区如果风速继续增大，电路及电气器件受到功率的限制，发电机和功率变换器最终达到功率极限。随着风速的增大，控制桨叶节距角，限制风力机从风中捕获的风能，使得值迅速降低，从而桨叶失速程度逐渐加深以限制气动转矩，维持输出功PC率不变。控制方案（1）追踪最大风能运行的恒定区，是要通过风力机与发电机PC的配合，使机组在不同的风速时运行在不同的转速下，保持不变，最大MAXPC限度地捕获风能。控制方案（2）（3）这两个运行区域主要靠伺服控制机构来控制桨叶节距角，使风力机的桨叶与风向产生一定的角度，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，限制风力机捕获的风能，使发电机的输出功率保持在额定功率范围内。风力机从风中捕获最大机械功率时，发电机的输出功率也必须相应地与之配合，通过控制功率变换装置，维持系统最大输出功率。风力机在不同风速下的最大输出机械功率乘以相应的发电机效率，得到相应的最佳发电机功率。在运行过程中，可以通过功率与转速的特性曲线关系构成系统的控制方案，把风力机的输出功率与转速之间的关系，转换为发电机的输出功率与转速之间的关系进行控制，使风力机在不同的风速条件下下均按最大功率运行，实现最大风能捕获。24直驱式永磁同步发电机模型在传统的风力发电系统中，有过许多控制方案，其中包括异步电机发电（定桨距型感应发电系统、变桨距型可变电阻感应发电系统、变桨距型双馈发电系统、变桨距型无刷双馈发电系统），同步电机发电（变桨距电励磁同步发电系统、变桨距永磁同步发电系统），但是很少有读者研究过梯形波永磁同步电机在风力发电系统中的应用。本文就是基于梯形波永磁同步发电机，将发出的三相梯形波通过不可控整流桥整流为一系列脉动较小的平顶波，通过大电感滤波之后，获得比较平滑的直流电压，控制简单，可靠性高，这也是本文所以采用此类电机的主要原因。由于风力机的转速很低，直接用风轮机带动发电机转子运行，将满足不了发电机对转子转速的要求，系统必须引入升速齿轮箱后，再同发电机转子连接进行正常系统工作。然而齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率又相对较低；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率的要求也在不断提高，齿轮箱的存在在一定程度上限制了风力发电机组的发展。用永磁同步电机发电是当今最普遍的一种发电方式之一，其较多的极对数使得在转子转速较低的情况下，发电机仍然可以正常工作。因此，风力机直接驱动永磁同步电机发电就是针对于风力机转速较低的状况而设计的方案，省去齿轮箱，简化系统结构，增加系统的可靠性。中间环节采用电力电子变频装置，解决了同步发电机的转速与电网频率之间的刚性耦合的问题，实现系统的柔性连接。同时，变频器的使用，使得风力发电机组可以在较宽的风速范围内运行，提高系统的效率。永磁同步发电机的特点（1）由于风力机通常运行在比较恶劣的环境下，永磁发电机转子上无励磁绕组，因此不存在励磁绕组铜损耗问题，比同容量的电励磁式发电机效率高；转子上没有滑环，运转更安全可靠；电机的重量轻，体积小，制造工艺简便，因此在小型与微型风力发电中被广泛应用。永磁发电机的缺点是电压调节性能差。（2）永磁同步风力发电系统，当采用风力机与永磁同步发电机转子直接耦合时，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪声。另外直驱式永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，使得发电机的输出电压基本上与发电机转速呈正比，这些因素使永磁发电机在早期的发电系统中的应用受到了限制。但是，随着MOSFET,IGBT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行简单的电机输出控制。设计时需要钕铁硼永磁同步发电机、电力电子器件和微机控制三项技术结合起来，使永磁同步发电机在可靠的工况下运行，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱式永磁风力发电系统从众多的变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景，直接驱动技术也是风力发电机的发展趋势。该电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，其转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波气隙磁场，定子三相绕组采用整距集中绕组，由于其气隙磁密按梯形波分布，因而感应的电动势也是梯形波。其等效电路如图24所示在分析的过程中，为了简化系统模型，在不影响系统功能的情况下，可作出以下基本假设图24永磁同步电机等效电路（1）永磁体在气隙中产生的磁通密度呈梯形波分布。（2）电枢反应磁场很小，不考虑电枢反应对气隙磁场的影响。（3）三相绕组完全对称，可按集中整距绕组处理，电机磁场各向同性，可以不考虑磁场饱和的问题。由于绕组电感的原因，所以在换流时电流不可能突变，故其实际的波形为近似的梯形波。永磁同步电机的电压方程可用下式表示（26）CNCBCACCCNBBBANCABAANUILILDTIREUIIIDTIE由于定子三相绕组的对称，有，则0CBAII（27）CMBAMBCAILILI假定（28）LLRMSMBCACBASC则可以得出（29）CNBACMSSMSCBACNBAUIIPLLIIRE00式中、三相感应电动势，单位V；、三相对中性点ABCNANUB的电压，单位V；、三相电流，单位A；、各相AIBCICSL绕组自感，单位MH；、为绕组之间的互感，LACALBCML单位MH；各相绕组电阻，单位。R根据电机和电气传动的基本理论可得（210）RLERBTDTJ式中发电机的电磁转矩，单位；负载转矩，单位；ETMNMN阻力系数，单位；转动惯量，单位。BSKG/2J2KG梯形波整流和大的电感滤波后，从整流输出侧看去，压波形平稳的优点，而且也具有了永磁同步发电机寿命长、效率高的优点，从而更加适合在大型风力发电系统中应用。梯永磁同步发电机通过三相整流桥进它不但具有了直流发电机的电梯形波永磁同步发电机和同步发电机相比具有电压调整率低、电压波形平稳的优点；和直流发电机相比，具有无机械换向装置、换向容易、使用寿命长等优点。可以说这种新型发电机集直流发电机和永磁同步发电机的优点与一体而又摒弃了它们的不足。仿真试验证明这种直驱式发电系统具有电压调整率低，输出纹波小，可以软起动等特点。25直流升压电路电能变换技术是对电能进行变换和控制的技术，它以电力电子、微电子和控制技术三者紧密结合的形式，形成了电力电子技术这门具有生命力的边缘学科。电力电子在应用技术的核心部分是开关控制器，它是以开关方式运行的非线性元件，将控制理论应用于电力电子控制的前提是对其网络拓扑进行建模。主要使用的建模方法有状态空间平均法、数据采样建模法、PWM开关平均法、等效电路建模等。直流变换电路主要完成的功能为调节直流输出电压使之恒定，以和后级的逆变电路输入相匹配，从而减轻逆变装置的控制负担，完成有源功率因素校正，提高逆变电路的输入功率因素并抑制输入电流的高次谐波等。本文中采用直驱式永磁同步发电机，将发出的电压和频率随风速变化的交流电，通过三相二极管整流桥整流，经过滤波电路，得到比较平滑的直流电但在低风速速下，捕获的能量不足以达到并网条件。为了使系统能够在较宽的风速条件下运行，需要使用直流变升压电路，将电压变换为逆变装置所需要的电压，然后并网，以此达到提高系统效率的目的。由于直流变换电路的输出一般都与占空比成某种关系，所以其基本原理就是通过控制开关管的占空比，来达到提高或降低输出电压的目的。DCDC变换器按照电路拓扑结构可以分为两大类不隔离的直流变换器和带隔离的直流变换器，两者最基本的功能都是变压。带隔离的直流变换器有单管的正激式和反激式，多管的推挽、半桥、全桥等多种型式的直流变换器。不隔离的直流变换器有4种基本的拓扑，它们是降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换器和CUK变换器等。本章主要介绍BOOST升压电路的基本原理，以及对其它几种直流变换电路进行比较，为其下文控制电路的设计打下基础。251升压式（BOOST）变换器（1）电路的拓扑结构BOOST变换器是一种输出电压高于输入电压的单管非隔离直流变换器。图25给出了它的电路图。通过控制开关管S的导通比，可控制升压变换器的输出电压。图25升压式变换器示意图（2）工作原理本文只研究电感电流连续的情况。如图25所示，在区间，开关管S处于1,0T导通状态，电源电压全部加到电感两端，电感电流呈线性增长。二极管D截止，LI电容C向负载供电，电流流过电感。由于输出滤波电容电压保持不变，则电感两端呈现正电压，在该电压作用下电感中电流线性增长，直到时刻，DCINLVULI1T达到最大值。在开关管导通期间，电感电流的增量为LIDTLVDTLIININTIN101（211）稳态工作时，S导通期间电感电流的增长量等于S截止期间的减小量。即，由此可得LII（212）DVINC1由式（224）可知，输出电压与输入电压的比值始终大于等于1，即输出电压高于输入电压。图26给出了电流连续导电状态下的BOOST变换器的主要波形。26BOOST变换器的主要波形（3）BOOST变换器的特点BOOST变换器只能实现升压变换，这样才能保证整个电路工作在一个平衡的稳定状态即变换电感在功率管S开启时充电，在功率管S关断时放电。电源输入电流始终和电感电流相等，因此输入电源电流可以处于连续状态，这一点在实现大功率的DCDC变换和功率因素校正（PFC）功能时，具有独特的优势。同时，由于输入电流可以处于连续状态，因此输入电流的纹波较小，降低了对滤波电路的要求。功率开关管的源极（或双极晶体管的射极）电位始终为零（处于地电位），因此对功率管的控制很容易。正是因为BOOST变换器具有以上一些特点，因而在实际中得到了广泛的应用。252几种变换器的比较DCDC变换器的最大特点就是实现了变换器的公共端与交流电网的隔离，从而保证技术人员的安全操作及用户的安全使用。在需要隔离的条件下，一般首选隔离型DCDC变换器。BUCK变换器的优点有（1）对功率管及续流二极管的耐压要求低，只要求等于或大于最高输入电源电压即可；（2）电路简单，调整方便，可靠性高；（3）储能电感在功率管导通时储存能量，在功率管关断时储存的能量向负载供电，电源负载能力强，电压调整率好；（4）输出电压纹波低。但是降压型变换器也有缺点（1）稳态输出电压总是小于输入电压，即只能降压不能升压；（2）由于其输入电流是脉动的，这将会对其他周边设备产生电磁干扰。所以在实际应用中常在电源与变换器之间增加一个输入滤波网络；（3）开关晶体管发射极不接地，使驱动电路复杂。BOOST变换器的优点（1）电路简单调整方便，可靠性高；（2）输入电流连续，减轻了对电源的电磁千扰；（3）开关管发射极接地，使驱动电路简单。缺点是（1）输出侧二极管电流是脉动的，使输出纹波较大。实际应用中，在二极管与输出之间常加入一个输出滤波网络；（2）输出电压总是大于输入电压，即它只能升压不能降压。（3）BOOST变换器的开环传递函数有一个位于右半平面的零点，使得使用单一的反馈电压环难以同时保证系统在受到某种扰动作用时，既有很好的动态品质又不致造成系统失稳。BUCK/BOOST变换器是BUCK和BOOST电路拓扑的组合，同一电路可以完成升压和降压两种功能，可以使用在既要求降压又要求升压的场合。具有效率高、功能多等优点，但是其输入输出极性相反、驱动复杂等不利因素。CUK变换器的优点（1）输入电流和输出电流都是连续的，输出电流纹波分量极小（可小为零），故降低了对外部滤波器的要求。（2）能量的储存和传递在两个回路中同时进行，效率高；（3）对电网的抗干扰能力强，电网电压的干扰在功率管导通和关断时分别由功率管和续流二极管将之短路；（3）对于隔离型的CUK电路具有较高低利用效率。CUK变换器的缺点在于能量转换用电容需要耐受极大的纹波电流，这种电容成本高，可靠性也差些。3直驱式风力发电系统控制策略31最大风能利用电路的实现图31示出风力发电系统的拓扑结构。该系统采用永磁同步发电机与风力机直接耦合，为了解决同步发电机转速和电网频率之间的刚性耦合，在发电机和电网间使用了变频器。变频器由整流器、电容、电池组、逆变器组成。按图31所示，随着风速的变化，发电机的输出电压会激烈波动。正是该特征影响了风力发电机的最大功率输出。意即，在中低风速时，由于发电机输出的电压很低，就不能保证有功功率流向电网或负载。相反会导致有功功率的反向流动。图31风力发电系统结构图31所示风力发电系统的电路拓扑不能充分地利用风能。图32给出了一种利用BUCKBOOST电路来实现最大风能追踪的风力发电系统的简单电路，其中虚线框内的电路为BUCKBOOST电路。DI电网同步发电机DU图32实现最大风能利用的风力发电系统结构在期间，VS导通，VD反偏关断，此时电感电压。在期间，VS关断,电ONTINLUUOFT感储能以自感电势形式释放，VD导通，此时负载电压平均值与输入电压极性相反，且有电感电压。考虑到一周期内电感电压积分平均值为零的事实，即由此得0UUL（31）0OFNITUT占空比D定义为（32）FD由（31）（32）式得（33）10M式（33）说明，当D05时，输出电压下降；当D05时，INU0，上升，且输入输出电压反极性。INU0032变频器的设计图33示出风力发电系统的拓扑结构。该系统采用永磁同步发电机与风力机直接耦合，为了解决同步发电机转速和电网频率之间的刚性耦合，在发电机和电网间使用了变频器。变频器由整流器、电容、电池组、逆变器组成。按图33所示，随着风速的变化，发电机的输出电压会激烈波动。正是该特征影响了风力发电机的最大功率输出。意即，在中低风速时，由于发电机输出的电压很低，就不能保证有功功率流向电网或负载。相反会导致有功功率的反向流动。电网同步发电机DIDU图33风力发电系统结构33最大功率搜索算法图34示出某一风力机在不同风速下的输出有功功率P和D特性曲线。它由A，B两部分组成。可以看出，P近似与D成比例。如图34所示，以某一风速下的输出功率特性曲线为例，在A区，当且时，工作点正向着最大功率处0DPP0DD靠近，此时，为使系统工作在最大功率处，需继续增加D。当且时，工0DPD作点正背离最大功率处，此时需改变工作点的移动方向，同时要增加D；在B区，当且时，工作点正向着最大功率处靠近，此时，为使系0DP0DD统工作在最大功率处，需继续减小D。当且时，工作点正背离最大功率0DPD处，此时需改变工作点的移动方向，同时要减小D。图34风力机输出功率特性曲线在本文中，采用风力机直接驱动低速永磁同步发电机产生电能。直接驱动技术应用在风力发电系统中，风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修费用，降低了噪声。其发电系统的拓扑结构是将发电机发出的电压与频率随风速变化的三相交流电通过三相二极管整流桥整流成直流，经过滤波电路之后，使用DCDC升降压装置变换为逆变电路所需要的恒定电压，通过协调各控制模块，逆变后并网，达到捕获最大风能的目的。34新型最大功率跟踪算法控制方案直驱式风力发电系统采用最大功率跟踪算法已被广泛的研究，尽管这种算法是建立在不同功率转换硬件结构的基础上，但按其基本原理可以分为以下三种叶尖速比控制、功率信号反馈控制、爬山搜索法。（1）叶尖速比控制叶尖速控制的目的就是维持叶尖速比在最佳特性曲线上，这样在任何风速下，都能够获得最大功率。如图35所示，在该系统中，需要测量风速与风力机转速，作为控制系统的输入信号，通过计算或实验获得最佳叶尖速比的特性曲线。该控制器的结构比较简单，要求测量的风速需要与作用在桨叶上的风速有良好的关联性。图35叶尖速比控制示意图但是，风速必须在到达桨叶之前就测量出来，由于风力机旋转时，使周围空气产生很大的扰动，因此风速传感器必须装在远离风力机的地方，而这样测得的风速与风力机安装处的风速就有了一定的误差，影响系统的精度。此外从风速传感器取得的风速信号还必须能反映风力机跟踪风向的偏差，否则又会造成误差；而且风速在整个桨叶扫掠面积上是不一致的，所以做到这一点非常困难。此外最佳叶尖速比的特性曲线对于不同的发电系统也不一样，使叶尖速比控制较多的依赖于风力机与发电机的特性曲线。所以这种方案看似简单，实现起来却相当的困难。（2）功率信号反馈控制功率信号反馈控制需要采用查表法或者需要预先知道转速与发电机的输出功率之间关系。功率信号反馈控制的原理如图36所示。PI控制器风能转换系统DUDRRR图36功率信号反馈控制的原理假设原来在风速下风力机稳定运行在最佳功率曲线上，对应着该风速下的1V1P最佳转速，此时发电机输出的功率等于风力机捕获的机械功率乘以系统效率。如1果某一时刻风速突然升高到，风力机获得的功率就会由点跃变至，由于大的212机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机的转速仍然运行在点，此时风1力机捕获的机械功率大于发电机输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着风速下的功率曲线轨迹运行。2V当运行至发电机功率曲线和最佳功率曲线的交点时，功率将重新达到平衡。此时，转速稳定在对应于该风速下的最佳转速，发电机输出的最佳功率为P0。同理，也0可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过程。其控制的基本结构如图37所示。图37功率反馈控制由于该系统中要取得风力机的机械功率信号比较困难，因此在实际电路中可以用发电机输出的电功率来代替，但是这个方案并不能保证风力机在额定风速以下整个运行的风速范围内均能按最佳叶尖速比或最大功率运行。由于发电机的输出功率查表PI控制器风能转换系统REFR效率不可能在一个很大的运行风速范围和功率变化范围内保持不变，所以也就必然会偏离最大功率（同时也偏离最佳叶尖速比）运行。特别是在较低风速段，由于发电机效率下降很快，离最大功率运行更会相差甚远。因此该方法实施起来也比较困难。（3）爬山搜索法爬山搜索法的基本原理如图38所示。该方法无需测量风速，也不需要事先知道具体风力机的功率特性曲线，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佳转速点。其追踪最大风能的原理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NPT1NPT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D的转速指令相加就得到新的转速指令值。也就是说，当风机的功率一直增加时，保持转速指令增加（或减小）的方向不变，当风力机的功率减小时，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。D图38爬山搜索法图39给出了爬山搜索法基本控制方案，爬山搜索控制方法是一种局部搜索算法，该方法的实现途径是通过尝试小幅度增加风机转速来判定功率变化趋势，进行转速的最优点搜索过程。如图34所示，如果系统工作在左半部分，计算当前的功率值，并和上个控制周期的功率进行比较，如果功率下降，则将转速指令的扰动值反号，下次将沿相反的方向运行。如果功率一直增加，保持转速指令的扰动方向不变。若系统进入右半部分，则变化趋势与左半部分相反。在控制过程中，为了提高系统的精度，通常采样周期取的比较小。显然，在风轮转动惯量比较小的时候，爬山搜索方法有较好的效果。但当转动惯量较大时，这种方法就不能令人满意了。搜索算法PI控制器风能转换系统OUTPRREFP图39爬山搜索法控制在高功率风能转换系统中，由于风机具有较大的转动惯量，其瞬态过程不能忽略，爬山搜索法在进行下一步的搜索过程中，需要等待系统达到稳定状态之后才能继续，这将导致整个系统瞬态响应速度较慢，影响系统的控制性能。在以上的三种方法中，爬山搜索法最受关注。因为其基本是由软件编程实现的，不需要额外的硬件条件。4基于MATLAB简介环境下的仿真研究41MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY）的简称，是美国MATHWORKS公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。其优势在于（1）友好的工作平台和编程环境。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近WINDOWS的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言。MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）出色的图形处理功能。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱家族中有了自己的一席之地。42仿